Способ управления газотурбинным двигателем
METHOD OF CONTROLLING GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к способам управления газотурбинным двигателем.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ управления газотурбинным двигателем, включающий изменение расхода охлаждающего воздуха, подаваемого на турбину в зависимости от режимов работы двигателя, воздух подают от источника питания в коллектор охлаждающего воздуха, сообщенный через воздухопровод с агрегатом управления и с охлаждаемым трактом турбины через дросселирующие сечения перекрывающих устройств, выполненных в виде равномерно расположенных по окружности двигателя двухпозиционных клапанов, регулирование подачи воздуха к клапанам от агрегата управления через командный коллектор для их открытия / закрытия. /патент РФ №2194179, МПК F02C 9/00, опубл. 10.12.2002 г/.
Недостатком данного способа охлаждения турбины газотурбинного двигателя является то, что управление осуществляется только на крейсерском режиме за счет уменьшения расхода охлаждающего воздуха, поступающего в охлаждаемый тракт турбины, путем одновременного перекрытия всех клапанов, обеспечивая «дежурный» расход охлаждающего воздуха с целью уменьшения концевых потерь на сопловом аппарате, и нет возможности регулировать расход охлаждающего воздуха на дополнительном режиме, когда требуется обеспечить экономичность двигателя при условии сохранения требуемого температурного состояния элементов турбины, поскольку температура газов перед турбиной остается достаточно высокой.
Задача изобретения - повышение экономичности двигателя на длительных по времени эксплуатации режимах работы.
Ожидаемый технический результат - снижение удельного расхода топлива двигателя за счет уменьшения расхода воздуха, поступающего в охлаждаемый тракт турбины на дроссельных режимах при сохранении требуемого температурного состояния элементов турбины.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что известном способе управления газотурбинным двигателем, включающим изменение расхода охлаждающего воздуха, подаваемого на турбину в зависимости от режимов работы двигателя, воздух подают от источника питания в коллектор охлаждающего воздуха, сообщенный через воздухопровод с агрегатом управления и с охлаждаемым трактом турбины через дросселирующие сечения перекрывающих устройств, выполненных в виде равномерно расположенных по окружности двигателя двухпозиционных клапанов, регулирование подачи воздуха к клапанам от агрегата управления через командный коллектор для их открытия / закрытия, по предложению, клапаны разделяют, по меньшей мере, на две группы, каждая из которых соединена командным коллектором с агрегатом управления, при этом управление открытием / закрытием каждой из групп клапанов производят отдельно или совместно в зависимости от режимов работы двигателя. В качестве источника питания используют зону вторичного воздуха камеры сгорания или зону на выходе из теплообменника.
т
Управление работой двигателя по изобретению производят путем регулирования расхода воздуха, подаваемого на охлаждение турбины. Снижение расхода воздуха на охлаждение турбины, в системе двигателя приводит к увеличению его расхода, проходящего через камеру сгорания и «горло» соплового аппарата турбины. Мощность турбины (N) согласно газодинамической теории, в первую очередь зависит от произведения
т
г
3
г
3
*
*
N=f(G*Т); где G - расход газа через горло; Т - температура газа в «горле».
3
*
Поэтому при увеличении расхода воздуха, проходящего через камеру сгорания для сохранения потребной мощности и режима работы компрессора, необходимо снизить температуру Т, что достигается путем снижения расхода топлива при постоянной тяге и выбранном режиме работы двигателя.
Разделение клапанов на две и более группы и сообщение их с дополнительными командными коллекторами, количество которых равно количеству групп клапанов, позволяет автономно регулировать положение клапанов «закрыто» или «открыто» разных групп, независимо друг от друга, в случае, когда на режиме требуется обеспечить частичное отключение охлаждающего воздуха.
Сообщение командных коллекторов с агрегатом управления позволяет направить «командный» воздух от агрегата управления, после получения им соответствующей команды, к соответствующей группе клапанов, переводя клапаны этой группы, в положение открыто или закрыто.
Отдельное или совместное управление открытием или закрытием каждой из групп клапанов позволяет комбинировать положение клапанов таким образом, чтобы получить оптимальное значение расхода охлаждающего воздуха на разных режимах работы двигателя.
Использование зоны вторичного воздуха камеры сгорания в качестве источника питания позволяет подать воздух в охлаждаемый тракт турбины с достаточно высоким давлением, обеспечивая требуемый перепад давления в системе охлаждения турбины, особенно по перу сопловых лопаток.
Использование зоны на выходе из теплообменника в качестве источника питания позволяет подать в охлаждаемый тракт турбины, на агрегат управления и к клапанам воздух с более низкой температурой, что снижает температуру элементов конструкции как агрегата управления, так и клапанов, что позволяет использовать более легкие и дешевые сплавы.
На фиг. 1 представлена схема соединения клапанов;
На фиг. 2 - представлено сечение А-А с положением клапана «закрыто».
На фиг. 3 - представлено сечение А-А с положением клапана «открыто».
Схема содержит источник питания 1, коллектор охлаждающего воздуха 2, сообщенный через воздухопровод 3 с агрегатом управления 4, и с дросселирующими сечениями 5 перекрывающих устройств, выполненных в виде равномерно расположенных по окружности двухпозиционных клапанов 6, и сообщенным с охлаждаемым трактом турбины 7.
На схеме приведен вариант разделения клапанов на две группы: первая группа клапанов 8 и вторая группа клапанов 9. Группы сообщены с агрегатом управления 4, соответственно первая группа командным коллектором 10 и вторая группа командным коллектором 11.
Способ осуществляется следующим образом:
На дроссельных режимах работы двигателя в случае, когда температура газов перед турбиной уже ниже, чем на максимальном режиме, но еще выше, чем на крейсерском режиме, и нет возможности по допустимому температурному состоянию элементов турбины осуществить полное отключение охлаждения, воздух от источника питания 1 поступает в коллектор охлаждающего воздуха 2 и по воздухопроводу 3 направляется в агрегат управления 4. Одновременно в агрегат управления 4 поступает команда на открытие командного коллектора 10, при этом командный коллектор 11 закрыт. Воздух устремляется в командный коллектор 10 и оттуда к клапанам первой группы 8 и перекладывает их в положение «закрыто». Таким образом, воздух в охлаждаемый тракт турбины 7 поступает только из второй группы клапанов 9, которые находятся в положении «открыто». Происходит частичное отключение охлаждения.
При достижении температуры газов перед турбиной меньше или равной температуре газов перед турбиной на крейсерском режиме, в агрегат управления 4 поступает команда об открытии командного коллектора 11, и воздух из коллектора охлаждающего воздуха 2 добавочно поступает через командный коллектор 11 к клапанам второй группы 9, переводя их в положение «закрыто». Таким образом, в охлаждаемый тракт турбины 7 либо совсем не поступает охлаждающий воздух, либо поступает его минимальное количество. Осуществляется практически полное отключение охлаждающего воздуха.
Поскольку полное отключение охлаждающего воздуха осуществляется на режимах с низкой температурой газов перед турбиной, то температурное состояние элементов турбины является допустимым.
При работе двигателя на режимах, близких к максимальным или максимальным, которые характеризуются высокими значениями температуры газов перед турбиной, на агрегат управления 4 поступает команда о закрытии командного коллектора 10 и командного коллектора 11, и сразу же клапана первой 8 и второй 9 группы переводятся в положение «открыто», и воздух из коллектора охлаждающего воздуха 2 через дросселирующие сечения 5 клапанов 6 поступает непосредственно в охлаждаемый тракт турбины 7.
В случае большего количества групп клапанов и командных коллекторов принцип осуществления способа регулирования аналогичен вышеприведенному. При этом существует возможность по-разному комбинировать положение клапанов различных групп, добиваясь получения оптимального значения расхода охлаждающего воздуха.
3
руд
3
руд
*
*
Командой для агрегата управления 4 выбирают параметры, которые легко контролировать в процессе работы двигателя, а именно: температуру газов за турбиной Т, частоту вращения ротора n, положение рычага управления двигателем α. Открытие командного коллектора 10 и дополнительного командного коллектора 11 осуществляется при одновременном наличии сигналов по Т, n и α. Закрытие командного и дополнительного командного коллекторов осуществляется при наличии любого из трех сигналов.
Реализация этого изобретения позволяет повысить экономичность двигателя не только на наиболее длительных по времени эксплуатации крейсерских режимах, но и на учебных и учебно-боевых режимах, которые занимают значительную часть в типовом полетном цикле двигателя путем снижения удельного расхода топлива, которое осуществляется за счет уменьшения расхода охлаждающего воздуха. Так, расчеты показали, что уменьшение охлаждающего воздуха на режиме частичного отключения охлаждения на ~3,5% снижает удельный расход топлива на ~2%, а уменьшение охлаждающего воздуха на режиме полного отключения охлаждения на ~6,5% снижает удельный расход топлива на ~4%.
Таким образом, при условии соблюдения норм прочности, предложенное отключение воздуха, идущего на охлаждение турбины по группам, позволяет существенно повысить экономичность двигателя на наиболее длительных по времени эксплуатации режимах типового полетного цикла двигателя.