УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ НАПРАВЛЯЮЩИХ АППАРАТОВ КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области управления работой газотурбинных двигателей и может быть использована для регулирования положения направляющих аппаратов компрессора ротора низкого давления двухконтурного авиационного газотурбинного двигателя (ГТД).
В настоящее время авиационные ГТД, особенно маневренных самолетов, работают практически постоянно на переменных режимах при действии различных внутренних и внешних возмущений, кроме того, для обеспечения высоких тяговых характеристик и минимизации удельного расхода топлива требуется поддержание заданной рабочей линии на характеристиках компрессоров.
Положение направляющих аппаратов компрессора, используемых в таких ГТД, регулируется различным образом.
Так, например, известен реализуемый системой способ автоматического регулирования ГТД, заключающийся в изменении угла установки направляющих аппаратов компрессора в зависимости от температуры торможения потока на входе в ГТД и оборотов компрессора, причем дополнительно с помощью датчиков пульсаций отслеживают пульсации полного давления, рассчитывают спектральную плотность мощности в рабочем диапазоне частот, сравнивают их мощность на характерных частотах с эталоном и в зависимости от результатов сравнения регулируют углы установки направляющих аппаратов компрессора.
(см. опубликованная заявка РФ №97107079, кл. F02C 9/28, 1997 г.).
Данное решение учитывает только изменение температуры воздушного потока на входе в ГТД и его пульсации, что не позволяет осуществлять эффективное регулирование ГТД на изменяющихся режимах работы
пр
1
пр
1
пр
вх
Известен реализуемый системой способ управления ГТД, при котором измеряют температуру и давление воздуха на входе в двигатель, давление в двигателе и частоту вращения ротора двигателя соответствующими датчиками температуры, давления и частоты вращения и осуществляют управление двигателем в соответствии с алгоритмом, использующим сигналы датчиков параметров воздуха на входе для формирования заданных значений регулируемых параметров системы автоматического управления, причем при отказе какого-либо одного из датчиков параметров воздуха на входе в двигатель, проводят "виртуальное" измерение сигнала отказавшего датчика, для чего предварительно формируют, функциональную зависимость между давлением в двигателе и частотой вращения в приведенных координатах, а для приведения используют соотношения: для приведения давления соотношение P=1,033P/P, где P - приведенное значение давление двигателя, Р - давление в двигателе, P - давление воздуха, и для приведения частоты вращения - соотношение , где n - приведенное значение частоты вращения, n - частота вращения. Т - температура воздуха на входе, и, при "виртуальном" измерении сигнала отказавшего датчика, сначала определяют приведенное значение одного из этих параметров по сигналу работающего датчика параметра воздуха на входе в двигатель, определяют соответствующее ему значение другого приведенного параметра по функциональной зависимости и вводят его значение в другое соотношение для приведения, а затем вычисляют по нему значение сигнала отказавшего датчика и вычисленное значение вводят в систему автоматического управления для формирования заданных значений регулируемых параметров, при этом для ГТД с переменной геометрией проточной части за счет изменения направляющих аппаратов компрессора, функциональную зависимость в приведенных координатах формируют при различных положениях регулирующих органов, в виде семейства кривых или аналитической зависимости, а при "виртуальном" измерения сигнала отказавшего датчика дополнительно замеряют текущее положение регулирующего органа и определяют "виртуальное" измерение сигнала отказавшего датчика.
(см. опубликованная заявка №2006114247. кл. F02C 9/28, 2006 г.).
Реализующая способ система характеризуется значительной инерционностью и невысокой точностью.
к
Известна система регулирования подачи топлива в ГТД, содержащая электронный цифровой регулятор, связанный с основным регулятором подачи топлива в камеру сгорания и с резервным регулятором, выходы регуляторов связаны с селектором переключения, который связан с дозатором топлива. Резервный регулятор выполнен в виде гидрозамедлителя, центробежного чувствительного элемента, регулятора отношений давлений перед - и за компрессором (π), регулятора направляющих аппаратов.
т
пр
т
к
В процессе работы системы регулятор подачи топлива осуществляет управление дозатором по команде электронного цифрового регулятора. При работе резервного регулятора, последний осуществляет регулирование подачи топлива и управление механизацией компрессора по заданным внутридвигательным параметрам. Управление направляющими аппаратами компрессора осуществляется по законам G=f(n) и G=f(π).
(см. патент РФ на полезную модель №37528, кл. F02C 7/22, 2004 г.).
В результате анализа известной системы регулирования ГТД необходимо отметить, что она обеспечивает регулирование положения направляющих аппаратов компрессора, однако, не обеспечивает эффективного регулирования при работе ГТД на переменных режимах.
Известна система управления ГТД, содержащая устройство регулирования подачи топлива в основную камеру сгорания, замкнутое с газотурбинным двигателем по частоте вращения ротора через датчик частоты вращения. Устройство регулирования подачи топлива выполнено в виде электронного регулятора, вход которого соединен с датчиком частоты вращения, а выход - с одним из входов выходного устройства, которое соединено с исполнительным механизмом насоса - регулятора.
Система также имеет также контур регулирования геометрии проточной части двигателя, включающий в себя регулятор направляющих аппаратов компрессора с элементом управления (например, гидроцилиндром) положением направляющих аппаратов. Регулятор замкнут с двигателем через датчик частоты вращения. Элемент управления положением направляющих аппаратов компрессора дополнительно соединен с датчиком положения направляющих аппаратов, выход которого соединен с блоком коррекции расхода топлива в основную камеру сгорания, выход блока соединен со вторым входом выходного устройства системы регулирования топливопитания основной камеры сгорания.
В процессе работы системы, рычагом управления двигателя, через контур топливопитания основной камеры сгорания, выводят двигатель на рабочий режим, при котором совместно работают контуры регулирования топливопитания и управления положением направляющих аппаратов компрессора.
Сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора двигателя, через датчик частоты вращения одновременно поступает на электронный регулятор контура управления топливопитанием и на контур управления направляющими аппаратами компрессора. В электронном регуляторе данный сигнал сравнивается с заданным значением частоты вращения ротора. В зависимости от результатов сравнения, электронный регулятор через выходное устройство выдает команду на исполнительный механизм насоса-регулятора, который соответствующим образом воздействует на дозирующий элемент насоса-регулятора.
Одновременно регулятор направляющих аппаратов также получает на вход сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора двигателя, по которому в соответствии с заданной программой через элемент управления устанавливают новое положение направляющих аппаратов компрессора, которое соответствует заданному режиму работы двигателя.
В процессе работы двигателя, в результате внешних возмущений возможно отклонение направляющих аппаратов компрессора от заданного положения, которое определяется датчиком положения. Соответствующий сигнал с датчика положения подается на блок коррекции расхода топлива, который выдает сигнал коррекции в контур топливопитания, изменяя тем самым режим подачи топлива в основную камеру сгорания, компенсируя возмущающее воздействие отклонения положения направляющих аппаратов на частоту вращения ротора двигателя.
(см. патент РФ №2007599, кл. Р02С 7/26, 1994 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известной системы управления ГТД необходимо отметить, что в ней положение направляющих аппаратов определяется только частотой вращения ротора, что не обеспечивает при действии возмущений заданного положения рабочей линии на напорной ветке характеристики компрессора и, тем самым, не позволяет сохранить максимальное значение коэффициента полезного действия компрессора и его запасов газодинамической устойчивости.
к
пр
пр
Задачей настоящей полезной модели является разработка устройства управления положением направляющих аппаратов компрессора ГТД, обеспечивающего заданное положение рабочей линии на напорных ветках характеристики компрессора и тем самым сохранение максимального значения коэффициента полезного действия компрессора и его запасов газодинамической устойчивости за счет изменения положения направляющих аппаратов таким образом, что однозначно сохраняется заданное значение отношения степени сжатия воздуха в компрессоре к приведенному расходу воздуха компрессора для каждой приведенной частоты вращения ротора компрессора: π/G=f(n), причем указанная зависимость назначается из условия получения максимального значения коэффициента полезного действия компрессора и необходимых его запасов газодинамической устойчивости.
Поставленная задача обеспечивается тем, что в устройстве управления положением направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя, содержащее привод направляющих аппаратов компрессора, связанный с выходом регулятора, блок вычисления приведенной частоты вращения ротора компрессора, а также элемент сравнения, выход которого связан с входом регулятора, новым является то, что система оснащена первым и вторым делителями, сумматором, первым и вторым блоками управления расходом воздуха, подаваемого в компрессор, выходы которых связаны с входами сумматора, блоком вычисления приведенного расхода воздуха, выход которого связан с первым входом второго делителя, второй вход которого связан с выходом первого делителя, а выход - с первым входом элемента сравнения, второй вход которого связан с выходом сумматора, входы первого делителя связаны с датчиками давления воздуха на выходе из компрессора и на входе в двигатель, вход первого блока управления расходом воздуха связан с выходом блока вычисления приведенной частоты вращения ротора компрессора, один вход которого имеет возможность соединения с датчиком температуры воздуха на входе в двигатель, а другой - с датчиком частоты вращения ротора компрессора, вход второго блока управления расходом воздуха имеет возможность соединения с датчиком температуры воздуха на входе в двигатель, а выход блока вычисления приведенной частоты вращения ротора компрессора дополнительно связан с входом блока вычисления приведенного расхода воздуха, имеющего возможность соединения с датчиками температуры воздуха на входе в двигатель, положения направляющих аппаратов компрессора, давления воздуха на выходе из компрессора и давления воздуха на входе в двигатель.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема заявленного устройства.
Устройство управления положением направляющих аппаратов 1 компрессора ГТД содержит привод 2 управления положением направляющих аппаратов. Исполнительный механизм привода 2 связан с выходом регулятора 3, вход которого связан с выходом элемента сравнения 4.
Устройство оснащено блоком 5 вычисления приведенного расхода воздуха. Первый вход блока 5 имеет возможность соединения с датчиком положения направляющих аппаратов компрессора (данный датчик, как и иные датчики, упомянутые в описании, на схеме не показан).
Второй вход блока 5 имеет возможность соединения с датчиком температуры воздуха на входе в ГТД.
Третий вход блока 5 имеет возможность соединения с датчиком давления воздуха на входе в двигатель.
Устройство также содержит первый 6 и второй 7 программные блоки управления расходом воздуха. Выходы данных блоков связаны с первым и вторым входами сумматора 8, выход которого связан со вторым входом элемента сравнения 4.
Вход блока 7 имеет возможность связи с датчиком температуры воздуха на входе в ГТД, а вход блока 6 связан с выходом блока 9 вычисления приведенной частоты вращения ротора компрессора, выход которого также связан с четвертым входом блока 5, а первый вход блока 9 имеет возможность соединения с датчиком частоты вращения ротора компрессора.
Пятый вход блока 5 имеет возможность соединения с датчиком давления воздуха на выходе из компрессора.
Второй вход блока 9 имеет возможность соединения с датчиком температуры воздуха на входе в ГТД.
Устройство оснащено первым (10) и вторым (11) делителями. Выход делителя 11 связан с первым входом элемента сравнения 4. Первый вход делителя 10 связан с датчиком давления воздуха на выходе из компрессора, а второй - с датчиком давления воздуха на входе в двигатель. Выход делителя 10 связан с первым входом делителя 11, со вторым входом которого связан выход блока 5.
Все используемые в устройстве блоки элементы, являются известными и реализуют присущие им функции, их конкретное выполнение не является предметом патентной охраны и поэтому в материалах заявки указываются их выполняемые функции, а конкретное выполнение не раскрыто.
Устройство управления положением направляющих аппаратов компрессора ГТД работает следующим образом.
В процессе работы ГТД и функционирования системы управления, положение направляющих аппаратов 1 регулируется приводом 2, параметры работы отслеживаются поименованными выше датчиками.
вх
вх
вна
к
Показания датчика температуры воздуха на входе в ГТД (Т) поступают на входы блоков 5, 7, 9. Значение частоты вращения ротора компрессора (n) поступает на вход блока 9. Измеренное значение давления воздуха на входе (Р), с датчика давления воздуха на входе в двигатель поступает на один из входов блока 5. Значение положения направляющих аппаратов компрессора (α) поступает на один из входов блока 5. Показания датчика давления воздуха на выходе из компрессора (Р) поступают на один из входов блока 5 и на первый вход делителя 10.
вх
пр
В блоке 9 поступившие сигналы (Т) и (n) обрабатываются по зависимости: . Сформированный в блоке 9 управляющий сигнал приведенной частоты вращения ротора компрессора (n) поступает на один из входов блока 5 и на вход блока 6, в котором по наперед заданной функциональной зависимости  вычисляется второе слагаемое . Данная функциональная зависимость может быть реализована, например, в табличной форме в памяти цифрового процессора устройства управления положением направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя или в виде нелинейного кулачка при реализации данного устройства в гидромеханическом исполнении.
Параллельно, в блоке 7 по наперед заданной функциональной зависимости  вычисляется первое слагаемое . Данная функциональная зависимость может быть реализована, например, в табличной форме в памяти цифрового процессора устройства управления положением направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя или в виде нелинейного кулачка при реализации данного устройства в гидромеханическом исполнении.
Выходные сигналы  с блока 7 и  с блока 6 поступают на входы сумматора 8, в котором суммируются  для получения программного (заданного) значения . Данный блок может быть реализован в виде одного из широко известных устройств сложения сигналов как в гидравлическом, так и электронном исполнении.
к
пр
к
пр
0
С блока 8 полученный управляющий сигнал (π/G) поступает на второй вход элемента сравнения 4, на первый вход которого поступает с выхода блока 11 сигнал (π/G), соответствующий текущему значению отношения степени сжатия воздуха в компрессоре к приведенному расходу воздуха.
вх
пр
к
вна
вх
пр
пр
вх
к
вх
вна
пр
к
вх
к
к
к
вх
к
пр
к
пр
к
пр
к
пр
к
пр
0
Блок 5 может быть конструктивно реализован в виде цифрового процессора. Обработка поступающих в него сигналов (Р, n, Р, α, Т) осуществляется по зависимости G=f(n, P, P, T, α). Данная функциональная зависимость заранее вычислена по широко известным алгоритмам, применяемым при расчете характеристик осевых компрессоров, она может быть реализована в виде таблицы или в виде регрессионной зависимости , где К, а, α - заранее выбранные коэффициенты. Выходной сигнал (G) с блока 5 поступает на второй вход делителя 11, на первый вход которого поступает сигнал (π), полученный в результате деления поступающих на входы делителя 10 сигналов Р и Р. В блоке 10 формируется значение степени сжатия воздуха в компрессоре: π=Р/Р, а в блоке 11 формируется отношение степени сжатия воздуха в компрессоре к приведенному расходу воздуха (π/G) за счет деления сигнала π поступающего с выхода блока 10 на сигнал G поступающего с выхода блока. Делители 10 и 11 могут быть выполнены, например, в виде цифрового процессора, реализующего арифметическую операцию деления. В элементе сравнения 4 формируется сигнал ошибки Δ(π/G) (разности) между заданным программным значением (π/G) и текущим значением (π/G). Данный блок может быть реализован в виде одного из широко известных устройств вычитания сигналов (сумматор с инвертором одного из сигналов) как в гидравлическом, так и электронном исполнении.
С выхода элемента сравнения 4 управляющий сигнал поступает на вход регулятора 3, где для обеспечения необходимых динамических характеристик устройства управления положением направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя реализована заданная передаточная функция, например ПИД регулятор (пропорционально-интегральный-диференциальный) с наперед выбранными коэффициентами.
к
пр
С регулятора 3 управляющий сигнал подается на исполнительный механизм привода 2, который в соответствии с полученным сигналом управляет положением направляющих аппаратов 1 компрессора так чтобы ошибка Δ(π/G) стремилась к нулю.
Использование данного устройства позволяет обеспечить заданное положение рабочей линии на напорных ветках характеристики компрессора и тем самым сохранение максимального значения коэффициента полезного действия компрессора и его запасов газодинамической устойчивости.