СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ФОРСАЖНОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
GAS-TURBINE ENGINE WITH AFTERBURNER OPERATION MODE AND ITS ACTUALIZATION SYSTEM

Группа изобретений относится к области авиационного двигателестроения и может быть использована в электронно-гидромеханических системах автоматического управления многорежимными газотурбинными двигателями (ГТД) с форсажной камерой сгорания (ФКС).
Известен способ управления ГТД с ФКС, заключающийся в том, что по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором, положению рычага управления двигателем (РУД) и расходу топлива в основную камеру (ОКС) сгорания (основной расход топлива) управляют расходом топлива в ФКС, по положению РУД и перепаду давлений на турбине формируют заданное положение створок критического сечения реактивного сопла (PC) двигателя, сравнивают его с измеренным положением створок PC, по величине рассогласования между заданным и измеренным значениями формируют управляющее воздействие на привод створок PC, причем дополнительно контролируют величину рассогласования между заданным и измеренным значениями положения створок PC, если рассогласование превышает наперед заданную величину, определяемую по результатам сдаточных испытаний двигателя, ограничивают темп изменения расхода топлива в ФКС.
Система для реализации способа содержит последовательно соединенные блок датчиков, задатчик форсажных режимов работы двигателя, первый сумматор, первый электрогидропреобразователь, дозатор форсажного топлива, второй вход первого сумматора подключен к блоку датчиков. Система также содержит последовательно соединенные задатчик положения PC, второй сумматор, второй электрогидропреобразователь, золотник управления гидроцилиндрами привода PC, задатчик положения PC и второй вход сумматора подключены к блоку датчиков, выход второго сумматора подключен к задатчику форсажных режимов.
В процессе работы системы по измеренным с помощью блока датчиков температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором, положению РУД и расходу топлива в ОКС сгорания задатчик форсажных режимов формируют заданное положение дозатора, которое в первом сумматоре сравнивается с фактическим положением, измеренным с помощью блока датчиков. По величине рассогласования, поступающей в первый электрогидропреобразователь, формируется управляющее воздействие на дозатор, с помощью которого изменяется расход топлива в ФКС.
По измеренным положению РУД и перепаду давлений на турбине задатчик положения PC формирует заданное положение створок PC.
Значение заданного положения створок PC поступает во второй сумматор, где сравнивается с измеренным значением положения створок. По величине рассогласования между заданным и измеренным значениями второй электрогидропреобразователь осуществляет управление гидроцилиндрами привода створок PC с помощью золотника.
При работе системы и исправных элементах контура управления PC (электрогидропреобразователя, золотника) фактическое положение створок PC отличается от заданного практически только на динамических режимах. Так как заданное положение створок PC изменяется достаточно плавно, то величина рассогласования между заданным и фактическим положением в динамически отлаженной системе не превышает конкретной величины заранее заданного допуска. Однако в эксплуатации возникают ситуации, когда величина рассогласования в отдельные моменты может превышать эту величину (например, при «затираниях» гидроцилиндров привода PC, в момент резкого увеличения потребного расхода топлива, когда инерционность топливного насоса не позволяет мгновенно увеличить располагаемый расход, и т.д.). При этом возникает дисбаланс между расходом воздуха двигателя и расходом топлива в ФКС. Чтобы избежать этого, величина рассогласования между заданным и фактическим положением створок PC с выхода второго сумматора подается в задатчик форсажных режимов для контроля. При превышении наперед заданной величины, определяемой при сдаточных испытаниях двигателя, задатчик начинает ограничивать темп изменения расхода форсажного топлива /RU 2387857 С2, F02C 9/28, 27.04.2010/ /1/.
В результате анализа известных способа и системы необходимо отметить, что они обладают недостаточным быстродействием на дроссельных режимах работы, а парирование отклонений параметров работы газогенератора (ГГ) от установившихся при розжиге ФКС происходит за счет ограничения темпа изменения расхода топлива в ФКС, а следовательно, за счет увеличения времени форсажной приемистости.
Наиболее близкими к заявленной группе изобретений по технической сущности и достигаемому техническому результату являются способ и система управления ГТД с ФКС, причем способ заключается в том, что в процессе работы двигателя посредством датчиков измеряют параметры работы двигателя, сравнивают их с заданными и по величине рассогласования управляют положением распределительного золотника, управляющего гидроцилиндрами, регулирующими положение створок критического сечения PC двигателя, при запуске двигателя распределительный золотник перемещают в нейтральное положение, на дроссельных режимах работы двигателя определяют приведенную частоту вращения ротора турбокомпрессора и положение гидроцилиндра PC и по результатам сравнения данных сигналов получают управляющий сигнал, в соответствии с которым регулируют положение распределительного золотника для поддержания заданной площади PC, на максимальных бесфорсажных и форсажных режимах по измеренным значениям давления в двух заданных сечениях двигателя формируют текущее значение отношения давлений в этих сечениях, которое сравнивают с заданным значением, и по величине ошибки, полученной в результате сравнения, формируют заданное значение положения распределительного золотника, а при останове двигателя распределительный золотник перемещают в положение для полного раскрытия PC.
Система для реализации способа содержит задатчик, элемент сравнения, регулятор положения гидроцилиндров PC, последовательно соединенные электрогидравлический преобразователь и распределительный золотник управления гидроцилиндрами PC с датчиком положения гидроцилиндра PC и датчиками двигательных параметров: частоты вращения ротора турбокомпрессора (ТК), температуры на входе в двигатель, давлений в двух сечениях двигателя и датчиком положения РУД. Система также содержит датчик положения распределительного золотника PC, второй и третий задатчик, второй и третий элементы сравнения, усилитель, логический блок, переключатель, делитель, регулятор отношения давлений в двух сечениях двигателя, блок вычисления приведенной частоты вращения ротора ТК, первый и второй входы которого связаны с датчиками температуры на входе в двигатель и частоты вращения ротора ТК соответственно, а выход связан с первым задатчиком, выход которого связан с первым входом первого элемента сравнения, второй вход которого связан с датчиком положения гидроцилиндра PC, а выход - с регулятором положения гидроцилиндров PC, вход второго задатчика связан с датчиком температуры на входе в двигатель, а выход связан с первым входом второго элемента сравнения, второй вход которого связан с выходом делителя, а выход связан со входом регулятора отношения давлений в двух сечениях двигателя, со входом третьего задатчика связан второй выход логического блока, при этом выходы третьего задатчика, регулятора положения гидроцилиндров PC, регулятора отношений давлений в двух сечениях двигателя и первый выход логического блока связаны со входами переключателя, выход которого связан с первым входом третьего элемента сравнения, второй вход которого соединен с датчиком положения распределительного золотника, а выход - через усилитель с последовательно соединенными электрогидроусилителем и распределительным золотником, управляющим положением гидроцилиндров PC, при этом входы логического блока соединены с датчиками положения РУД и частоты вращения ротора ТК, а входы делителя - с датчиками давления в двух заданных сечениях двигателя /RU 2466287 C1, F02C 9/28, 10.11.2012/ /2/.
В результате анализа данных способа и системы необходимо отметить, что система обладает недостаточным быстродействием на дроссельных режимах работы, так как не учитывает изменения степени влияния площади критического сечения PC на отношение давлений в двух заданных сечениях двигателя. Снижение быстродействия приводит к увеличению ошибок регулируемых параметров и ухудшению динамического качества системы в целом. Также снижается область устойчивого безопасного запуска форсажной камеры сгорания.
Задачей данного изобретения является повышение точности поддержания заданного отношения давления в двух заданных сечениях двигателя на дроссельных режимах работы и парирование негативного влияния процесса воспламенения топлива в форсажной камере сгорания на параметры работы двигателя.
Техническим результатом заявленной группы изобретений является повышение качества управления ГТД с ФКС путем повышения быстродействия системы за счет переключения структуры регулятора и изменения коэффициента усиления регулятора в зависимости от режима работы ГТД.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, заключающемся в том, что в процессе работы двигателя посредством датчиков измеряют приведенную частоту вращения ротора турбокомпрессора, параметры работы двигателя, сравнивают их с заданными и по величине рассогласования управляют положением распределительного золотника, управляющего гидроцилиндрами, регулирующими положение створок критического сечения реактивного сопла двигателя, на максимальных бесфорсажных и форсажных режимах по измеренным значениям давления в двух заданных сечениях двигателя формируют текущее значение отношения давлений в этих сечениях, которое сравнивают с заданным значением, и по величине ошибки, полученной в результате сравнения, формируют заданное значение положения распределительного золотника, новым является то, что для формирования заданного значения положения распределительного золотника используют регулятор с пропорционально-интегральным законом регулирования и с переменным в зависимости от приведенной частоты вращения ротора турбокомпрессора коэффициентом усиления, а на режимах запуска форсажной камеры сгорания увеличивают коэффициент усиления регулятора и обнуляют накопленное интегратором значение.
В системе управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, содержащей первый задатчик формирования заданного значения отношения давлений в заданных сечениях двигателя, первый, второй и третий суммирующие усилители, электрогидроусилитель, связанный входом с выходом третьего суммирующего усилителя, а выходом - с распределительным золотником, управляющим положением гидроцилиндров реактивного сопла двигателя, датчик положения золотника, связанный со вторым входом третьего суммирующего усилителя, делитель, блок формирования приведенной частоты вращения ротора турбокомпрессора, датчики давления за компрессором и за турбиной, связанные с входами делителя, датчики частоты вращения ротора турбокомпрессора и температуры воздуха на входе в двигатель, подключенные к входам блока формирования приведенной частоты вращения ротора турбокомпрессора, причем датчик температуры дополнительно подключен к входу первого задатчика, а также датчик положения рычага управления двигателем, новым является то, что система оснащена вторым задатчиком - расхода топлива в форсажную камеру сгорания, первым и вторым усилителями с переменным коэффициентом усиления, интегратором, выход первого задатчика подключен к первому входу первого суммирующего усилителя, выход которого связан с первым входом первого усилителя с переменным коэффициентом усиления, выход которого связан с первым входом второго усилителя с переменным коэффициентом усиления, а его выход связан с первыми входами второго суммирующего усилителя и интегратора, выход интегратора связан со вторым входом второго суммирующего усилителя, а выход последнего - с первым входом третьего суммирующего усилителя, выход делителя связан со вторым входом первого суммирующего усилителя, выход блока формирования приведенной частоты вращения ротора турбокомпрессора связан со вторым входом первого усилителя с переменным коэффициентом усиления, причем система оснащена последовательно соединенными первым пороговым устройством, счетчиком и вторым пороговым устройством, выход которого подключен ко вторым входам второго усилителя с переменным коэффициентом усиления и интегратора, а вход первого порогового устройства связан с выходом задатчика расхода топлива в форсажную камеру сгорания, входы которого связаны с датчиками положения рычага управления двигателем и температуры воздуха на входе в двигатель.
Сущность заявленной группы изобретений поясняется графическими материалами.
Фиг. 1 - схема системы управления ГТД с ФКС, реализующей заявленный способ;
Фиг. 2 - график зависимости коэффициента усиления регулятора от приведенной частоты вращения ротора ТК.
Система управления ГТД с ФКС содержит первый задатчик 1 формирования заданного значения отношения давлений в заданных сечениях, выход которого подключен к первому входу первого суммирующего усилителя 2, выход которого подключен к первому входу первого усилителя 3 с переменным коэффициентом усиления. Выход первого усилителя 3 с переменным коэффициентом усиления подключен к первому входу второго усилителя 4 с переменным коэффициентом усиления, выход которого, в свою очередь, связан с первым входом второго суммирующего усилителя 5 и с первым (основным) входом интегратора 6. Выход интегратора 6 подключен ко второму входу второго суммирующего усилителя 5.
Выход второго суммирующего усилителя 5 подключен к первому входу третьего суммирующего усилителя 7, который через электрогидроусилитель 8 связан с распределительным золотником 9, управляющим положением гидроцилиндров 10 PC ГТД 11.
Положение распределительного золотника 9 отслеживается датчиком 12 положения, который подключен ко второму входу третьего суммирующего усилителя 7.
Система также содержит второй задатчик 13, а именно задатчик расхода топлива в ФКС, выход задатчика подключен к входу первого порогового устройства 14, выход которого подключен к счетчику 15, который, в свою очередь, подключен ко второму пороговому устройству 16. Выход второго порогового устройства 16 связан со вторым входом второго усилителя 4 с переменным коэффициентом усиления для управления коэффициентом усиления данного усилителя и со вторым входом интегратора 6 для управления его накопленным значением.
Система оснащена блоком 17 формирования приведенной частоты вращения ротора ТК, выход которого подключен ко второму входу усилителя 3.
Параметры ГТД 11 в процессе его работы отслеживаются датчиками, условно представленными на графических материалах в виде блока 18.
к
т
тк
вх
РУД
Для обеспечения управления в системе используются показания следующих датчиков: давления в двух заданных сечениях ГТД, например за компрессором - (Р) и за турбиной - (Р); частоты вращения ротора турбокомпрессора - (N); температуры воздуха на входе в ГТД - (Т), положения РУД (α). РУД обозначен позицией 19.
к
т
Датчики (Р) и (Р) соединены с входами делителя 20, выход которого связан со вторым входом первого суммирующего усилителя 2.
вх
тк
Датчик (Т) связан с входом первого задатчика 1 и с первым входом блока 17 формирования приведенной частоты вращения ротора, со вторым входом которого связан датчик частоты вращения ротора (N).
вх
к
К входам второго задатчика 13 расхода топлива в ФКС подключены датчик положения РУД, температуры на входе в ГТД (Т) и давления за компрессором (Р).
Заданные сечения двигателя выбираются исходя из решения задачи управления: обеспечение заданного режима работы компрессоров двигателя при изменении расхода топлива в форсажную камеру сгорания. Задача может решаться путем регулирования степени расширения газов на турбине, в этом случае первый датчик давления измеряет давление за компрессором, второй - за турбиной. Возможно решение задачи путем поддержания степени сжатия компрессора, в этом случае один датчик изменяет давление на входе в двигатель, второй - за компрессором.
В данном патенте будет рассмотрено устройство, решающую задачу путем регулирования степени расширения газов на турбине.
Заявленная система скомпонована из известных блоков и элементов.
Суммирующие усилители (2, 5, 7), усилители с переменным коэффициентом усиления (3, 4), интегратор 6, первое пороговое устройство 14, второе пороговое устройство 16, счетчик 15, делитель 20 являются стандартными.
Интегратор 6 выполнен таким образом, что при наличии сигнала логической единицы на его втором входе значение, накопленное интегратором, обнуляется, при отсутствии сигнала интегратор интегрирует сигнал на своем первом основном входе.
Усилители (3, 4) с переменным коэффициентом усиления могут быть реализованы на известных матричных устройствах реализации произвольных функциональных зависимостей. Усилитель усиливает сигнал, приходящий на его первый вход, коэффициент усиления изменяется в зависимости от величины сигнала на его втором входе.
Первое пороговое устройство 14 выбрано таким образом, что при входном сигнале, большем и равном порогу срабатывания, устройство формирует на своем выходе сигнал логической единицы, а при сигнале меньше порога - логического нуля.
Второе пороговое устройство 16 выбрано таким образом, что при входном сигнале, большем первого порога срабатывания и меньшем второго порога, устройство формирует на своем выходе сигнал логической единицы, в остальных случаях - логического нуля.
Счетчик 15 выбран таким образом, что накапливает значение при наличии сигнала логической единицы на его входе, при отсутствии сигнала значение, накопленное счетчиком, обнуляется.
В качестве первого 1 и второго 13 задатчиков, а также блока 17 формирования приведенной частоты вращения могут быть использованы известные матричные устройства реализации произвольных функциональных зависимостей.
В качестве датчиков блока 18, а также датчика 12 положения распределительного золотника могут быть использованы стандартные датчики контроля параметров работы ГТД, например индуктивные датчики частоты вращения, термоэлектрические и терморезистивные датчики температуры, резистивные или емкостные датчики давлений, стандартные линейные дифференциальные трансформаторы для измерения линейных или угловых перемещений.
Заявленный способ посредством приведенной выше системы осуществляют следующим образом.
вх
В процессе работы ГТД первый задатчик 1 формирования заданного значения отношения давлений в заданных сечениях двигателя по показаниям датчика температуры на входе в ГТД (Т) по известной зависимости (например, ) формирует заданное значение отношения давлений в заданных сечениях двигателя, которое определяет заданную степень расширения газа на турбине.
к
т
Т
Делитель 20 по показаниям датчиков давлений в заданных сечениях двигателя, например за компрессором (Р) и за турбиной (Р), формирует фактическую степень расширения газа на турбине (π).
Первый суммирующий усилитель 2 по сигналам первого задатчика 1 и делителя 20 формирует значение рассогласования между заданной и фактической степенью расширения газа на турбине.
Т
Т
Сформированное первым суммирующим усилителем 2 значение рассогласования между заданной и фактической степенью расширения газа на турбине усиливается усилителем 3, а затем 4, усиленный сигнал интегрируется интегратором 6, затем усиленный сигнал суммируется на суммирующем усилителе 5 со своим проинтегрированным значением. Таким образом, реализуется пропорционально-интегральный закон регулирования параметра π. Фактически совокупность блоков 3, 4, 5, 6 является регулятором параметра π.
Т
Т
В случае снижения приведенной частоты вращения ротора ТК падает и степень влияния величины изменения площади критического сечения PC на параметр π, поэтому коэффициент усиления регулятора параметра π должен быть переменным по режиму работы ГТД, что обеспечивается усилителем 3.
вх
тк
Блок 17 формирования приведенной частоты вращения ротора ТК ГТД по показаниям датчика температуры на входе в двигатель (Т) и датчика частоты вращения ротора (N) формирует значение приведенной частоты вращения ротора по зависимости
Коэффициент усиления усилителя 3 формируется в соответствии с сигналом блока 17, например, по зависимости, представленной на фиг. 2.
Т
Т
Необходимо отметить, и это весьма важно, что особые требования по быстродействию регулирования параметра π предъявляются на режимах запуска форсажной камеры сгорания. За время заполнения коллектора (порядка 300 мс) необходимо увеличить площадь критического сечения PC на 5…10% для повышения запасов газодинамической устойчивости компрессора. Во время розжига пускового коллектора (0,06 с) необходимо обеспечить парирование отклонения параметров работы двигателя (в частности, π) и не допустить смещения рабочей точки на характеристике компрессора к помпажной границе.
Поэтому на режимах запуска форсажной камеры сгорания необходимо увеличивать коэффициент усиления регулятора. Так же целесообразным является отключение интегрального канала в регуляторе для исключения возможности накопления значения интеграла в переходном процессе при розжиге пускового коллектора. Эти функции обеспечиваются блоком 4 и цепью элементов 14, 15, 16.
к
вх
Параллельно второй задатчик 13, используя показания датчиков Р, положения РУД и Т, по известной зависимости (например, ) формирует заданный расход в ФКС ГТД 11, согласно которому регуляторы расхода форсажного топлива (не показаны) обеспечивают расход в ФК ГТД. Это осуществляется следующим образом. Первый пороговый элемент 14 формирует на своем выходе сигнал логической единицы, если в ФК ГТД подается топливо, и логического нуля, если не подается.
При поступлении сигнала логической единицы на вход счетчика 15 он начинает отсчитывать время с момента начала подачи топлива в ФКС. Второе пороговое устройство 16 формирует на своем выходе сигнал логической единицы согласно настройкам порогов срабатывания. В частности, сигнал логической единицы может быть сформирован с 1 по 300 мс с момента начала подачи топлива в ФКС, что соответствует времени заполнения пускового коллектора.
Т
На время заполнения пускового коллектора ФКС накопленное значение интегратора 6 обнуляется, а коэффициент усиления второго усилителя 4 увеличивается до максимально допустимого значения. Таким образом, на режимах запуска ФКС реализуется пропорциональный закон регулирования, а коэффициент усиления регулятора параметра π на данном режиме работы дополнительно увеличен.
Т
Т
Посредством третьего суммирующего усилителя 7, ЭГУ 8 и датчика 12 положения распределительного золотника распределительный золотник 9 позиционируется в заданное положение, сформированное регулятором параметра π. Смещение распределительного золотника 9 приводит к перемещению гидроцилиндра 10 PC и изменению площади критического сечения PC, давления за турбиной низкого давления и параметра π.
Т
Группа изобретений позволяет повысить качество регулирования заданной степени расширения газов на турбине на всех режимах работы ГТД, включая дроссельные, за счет использования регулятора параметра π с переменным коэффициентом усиления и пропорционально-интегральным законом регулирования, что обеспечивает возможность безопасного запуска ФКС по режиму работы двигателя. Заявленная группа изобретений также позволяет кратковременно повысить быстродействие регулятора до максимально возможного (граничного) на время, когда это необходимо, в частности при запуске ФКС.