Способ защиты газотурбинного двигателя от перегрева на запуске
METHOD FOR PROTECTING A GAS TURBINE ENGINE FROM OVERHEATING AT STARTUP

Изобретение относится к области управления газотурбинными двигателями, в частности, к способам защиты газотурбинных двигателей от перегрева на запуске.
Т
Т
Т
Т
УСТ зап
УСТ зап
Известен способ защиты газотурбинного двигателя (ГТД) от перегрева на запуске во время работы стартера, заключающийся в измерении температуры газов за турбиной двигателя Т стандартной (инерционной) и малоинерционной термопарами, сравнении сигнала малоинерционной термопары с заданным (предельным) значением Т, кратковременном прекращении подачи топлива G в камеру сгорания при превышении сигналом малоинерционной термопары заданного значения Т и одновременном включении системы зажигания на заданное время (Патент RU 1356604, МПК F02C 9/28, F02C 7/26, опубл. 15.05.1994).
Недостатками данного аналога являются:
Ограниченный диапазон работы, т.к. способ функционирует только во время работы стартера, а не в процессе всего запуска ГТД.
Т
Повышенный риск повторного срабатывания системы защиты из-за возможных избытков подачи топлива G в камеру сгорания ГТД, например, в первоначальный момент после отключения стартера.
Низкая отказоустойчивость системы. Так, при отказе малоинерционных термопар автоматическая система защиты от перегрева на запуске перестает работать, что может привести к воздействию повышенных температур на детали горячей части ГТД на запуске.
Т
Т
Т
Т
Т
Т
Т
Т
Т
Т
УСТ зап
УСТзап
УСТзап
УСТ зап
Известен способ защиты турбины газотурбинного двигателя от перегрева на запуске, выбранный в качестве прототипа, и в котором ряд вышеуказанных недостатков исключен (Патент RU 2315885, МПК F02C 9/28, опубл. 27.01.2008). Известный способ заключается в измерении температуры газов за турбиной газотурбинного двигателя Т с помощью малоинерционных термопар (с открытым спаем) и с помощью стандартных термопар (с закрытым спаем), формировании предельного значения температуры газов за турбиной на запуске Т, сравнении температуры газов Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем с предельным значением Т, кратковременном прекращении подачи топлива G в камеру сгорания двигателя на запуске при превышении Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем, над Т, включении на заданное время агрегата зажигания, возобновлении пониженной на 9-11 % подачи топлива G в камеру сгорания после снижения измеренной с помощью блока термопар с открытым спаем температуры газов Тниже предельного значения Т.
Недостатком прототипа является низкая отказоустойчивость способа, в частности, потеря функции защиты от перегрева ГТД в случае отказа термопар с открытым спаем.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является повышение температуры газов и перегрев горячей части ГТД.
Технической задачей изобретения является повышение отказоустойчивости способа защиты турбины ГТД от перегрева в случае отказа термопар с открытым спаем.
Т
Т
Т
Т
Т
Т
Т
Т
Т,
Т
Т
Т
Т
Т
Т
УСТ зап
УСТ зап
УСТ зап
УСТ зап
УСТ зап
УСТ зап
Поставленная задача достигается тем, что в способе защиты газотурбинного двигателя от перегрева на запуске, заключающемся в измерении температуры газов за турбиной газотурбинного двигателя Т с помощью термопар с открытым спаем и с помощью термопар с закрытым спаем, формировании предельного значения температуры газов за турбиной на запуске Т, сравнении температуры газов за турбиной Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем, с предельным значением Т, кратковременном прекращении подачи топлива G в камеру сгорания двигателя на запуске при превышении Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем, значения Т, включении на заданное время агрегата зажигания, возобновлении пониженной подачи топлива G в камеру сгорания после снижения температуры газов Тизмеренной с помощью термопар с открытым спаем, ниже предельного значения Т, при этом дополнительно для каждого типа газотурбинного двигателя заранее определяют максимальную разницу А между значениями температуры газов Т на запуске, измеренной с помощью термопар с открытым спаем и с помощью термопар с закрытым спаем, кроме того, в процессе запуска газотурбинного двигателя определяют исправность термопар с открытым спаем, в случае выявления отказа термопар с открытым спаем измерение температуры газов на запуске осуществляют с помощью термопар с закрытым спаем, при этом уменьшают предельное значения температуры газов на запуске Т на величину А, а прекращение подачи топлива G в камеру сгорания двигателя осуществляют на время превышения Т на запуске, измеренной с помощью термопар с закрытым спаем, над величиной (Т - А).
На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующая заявляемый способ.
Устройство содержит блок 1 термопар с открытым спаем, блок 2 термопар с закрытым спаем, блок 3 датчиков и сигнализаторов параметров ГТД, электронный регулятор 4, дозатор топлива 5, включающий клапан останова 5.1, агрегат зажигания 6, ГТД 7.
Т
Блок 1 термопар с открытым спаем (спай не экранирован защитным корпусом и размещен непосредственно в газовом потоке) обеспечивает малоинерционное измерение температуры Т на выходе из турбины в процессе запуска. Выход блока 1 соединен с электронным регулятором 4 двигателя.
Т
Блок 2 термопар с закрытым спаем (спай экранирован защитным корпусом) обеспечивает измерение температуры Т на выходе из турбины при работе ГТД на режимах от малого газа до взлетного (максимального) режима. Выход блока 2 соединен с электронным регулятором 4 двигателя.
*
*
*
вд
нд
Блок 3 датчиков и сигнализаторов параметров ГТД представляет собой совокупность датчиков и сигнализаторов (не показаны), которые обеспечивают измерение положения рычага управления двигателем и внешних параметров условий полета (температуры и давления воздуха на входе в ГТД Твх, Рвх), измерение параметров рабочего процесса ГТД 7 (частоты вращения роторов высокого n и низкого n давлений, давления воздуха за компрессором Рк, температуры газов за турбиной Тг двигателя и др.), измерение управляющих воздействий (расхода топлива Gт в камере сгорания, положения элементов механизации компрессора), положение иных элементов ГТД 7 и самолета. Выходная информация из блока 3 поступает на вход электронного регулятора 4 двигателя.
Электронный регулятор 4 ГТД 7 представляет специализированную цифровую вычислительную машину, оснащенную устройствами ввода/вывода для получения входной информации, формирования управляющих воздействий и информационных сигналов (не показаны) согласно заданным программам управления для обеспечения необходимого уровня тяги и надежной работы ГТД.
Электронный регулятор 4 двигателя является основным устройством цифровой системы управления типа FADEC (Full Authority Digital Engine Control). Таким устройством, например, в составе турбореактивного двухконтурного двигателя ПС-90А для Ил-96-300 и Ту-214/-204 является электронный регулятор двигателя РЭД-90. В иностранной патентной и технической литературе электронный регулятор 4 двигателя именуется как электронный контроллер двигателя EEC (electronic engine controller), блок управления двигателем ECU (engine control unit), блок DECU (Digital Electronic Control Unit) или электронный регулятор FADEC.
В электронном регуляторе 4 согласно изобретению осуществляется:
Т
Т
Т
Т
Т
Т
Т
Т
Т
УСТ зап
УСТ зап
УСТ зап
УСТ зап
Формирование предельного значения температуры газов за турбиной на запуске Т, сравнение температуры газов Т, измеренной с помощью блока 1 термопар с открытым спаем с предельным значением Т, формирование управляющего воздействия на кратковременное прекращение подачи топлива G в камеру сгорания при превышении Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем, над Т, включение на заданное время агрегата зажигания, формирование управляющего воздействия на возобновление пониженной подачи топлива G в камеру сгорания после снижения измеренной с помощью блока 1 термопар с открытым спаем температуры газов Т ниже предельного значения Т.
Т
Т
Т
Т
Т
УСТ зап
УСТ зап
Контроль исправности термопар с открытым спаем. Методы контроля термопар - любые известные, например, допусковый контроль по выходу за рабочий диапазон измерения и/или контроль целостности электрических цепей термопар на предмет отсутствия обрыва или короткого замыкания. В случае выявления отказа термопар с открытым спаем в электронном регуляторе осуществляется измерение температуры Т газов на запуске с помощью термопар с закрытым спаем, при этом уменьшают предельное значения температуры газов на запуске Т на величину А, а прекращение подачи топлива G в камеру сгорания двигателя осуществляют на время превышения измеренной с помощью термопар с закрытым спаем Т на запуске величины (Т - А).
Т
Величина А - заранее определенная максимальная разница между значениями температуры газов Т на запуске, измеренной с помощью термопар с открытым спаем и с помощью термопар с закрытым спаем. Ясно, что величина А для каждого типа газотурбинного двигателя должна быть обоснована как статистически, так и математическим моделированием.
Первый выход электронного регулятора 4 соединен с дозатором 5 топлива, второй выход электронного регулятора 4 соединен с агрегатом зажигания 6.
Дозатор 5 топлива предназначен для автоматического управления подачей топлива в камеру сгорания ГТД 6 по заданным программам. Обычно в статике и в динамике электронный регулятор 4, подавая электрическую команду в дозатор 5, обеспечивает перемещение дозирующего элемента дозатора до тех пор, пока фактическое значение расхода топлива Gт, определяемое электронным регулятором 4, не сравняется с расчетным, которое необходимо в данный момент для поддержания требуемого уровня тяги ГТД и/или исключения превышения параметрами ГТД заданных значений.
Т
Т
УСТ зап
Клапан 5.1. останова является элементом дозатора 5 и представляет собой типовой отсечной электромагнитный клапан, перекрывающий магистраль подачи топлива Gт в камеру сгорания ГТД 7 по команде из электронного регулятора 4 в случае превышения Тзаданного (предельного) значения температуры газов на запуске Т.
Агрегат зажигания 6 предназначен для бесперебойного искрообразования и розжига топливовоздушной смеси в камере сгорания ГТД.
ГТД 7 - любой известный тип газотурбинного двигателя или газотурбинной установки. Однако специалистам в области двигателестроения ясно, что предпочтительно, чтобы ГТД был оснащен камерой сгорания с достаточными запасами устойчивой работы, способными обеспечить надежную и бесперебойную работу камеры при кратковременных прекращениях подачи топлива, вызванных срабатыванием системы защиты двигателя от перегрева на запуске или иных защитных систем.
Т
Т
Т
Т
Т
Т
УСТ зап
УСТ зап
Способ осуществляется следующим образом: в процессе запуска ГТД с помощью блока 1 термопар с открытым спаем обеспечивается малоинерционное измерение температуры Т на выходе из турбины. В случае превышения измеренного значения температуры Т заданного (предельного) значения температуры газов на запуске Т электронный регулятор 4 в автоматическом режиме формирует управляющее воздействие в дозатор 5 для включения отсечного электромагнитного клапана, полностью перекрывающего магистраль подачи топлива в камеру сгорания ГТД 7, одновременно электронный регулятор 4 формирует управляющее воздействие для включения блока зажигания. После прекращения подачи топлива в камеру сгорания происходит снижение температуры газов Т и при Т > Т в электронном регуляторе 4 формируется управляющее воздействие на возобновление пониженной подачи Gт в камеру сгорания ГТД.
Т
Т
Т
Т
Т
УСТ зап
УСТ зап
В случае, если в процессе запуска ГТД или ранее произошел отказ блока 1 термопар с открытым спаем, например, из-за обрыва электропроводки данного типа термопар, электронный регулятор выявляет этот отказ и занижает Т на заранее определенную величину А, представляющую собой разницу между значениями температуры газов Т на запуске, измеренной с помощью термопар с открытым спаем и с помощью термопар с закрытым спаем. Далее управление теплового состояния деталей турбины ГТД осуществляется на основе измерений Тт с помощью блока 2 термопар с закрытым спаем. При этом кратковременное прекращение подачи топлива G в камеру сгорания двигателя осуществляют на время превышения Т на запуске, измеренной с помощью термопар с закрытым спаем, над величиной (Т - А).
Т
УСТ зап
Устройство, реализующее заявляемый способ, было апробировано на различных типах турбореактивных двигателей разработки АО «ОДК-Авиадвигатель. Было выявлено, что на запуске авиационных двигателей типа ПС-90А, ПД-14 измеренное значение Тт по данным хромель-алюмелевых термопар с открытым спаем на 50…150 °С превышает измеренное значение Тт по данным блока хромель-алюмелевых термопар с закрытым спаем, данная разница в показаниях была выбрана в качестве параметра А. Специалистам в области управления ГТД ясно, что конкретную величину А легко обеспечить соответствующей подрегулировкой величины Т. Было установлено, что устройство надежно исключило повышение температуры газов и перегрев горячей части ГТД путем кратковременного прекращения подачи топлива в случае отказа термопар с открытым спаем и применения термопар с закрытым спаем согласно предлагаемому изобретению.