СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ НАПРАВЛЯЮЩИХ АППАРАТОВ КОМПРЕССОРА ДВУХВАЛЬНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
SYSTEM TO CONTROL DUAL-SHAFT GAS TURBINE COMPRESSOR STATOR POSITION

Изобретение относится к области управления работой газотурбинных двигателей и может быть использовано для регулирования положения направляющих аппаратов компрессора двухвального авиационного газотурбинного двигателя.
Известно устройство управления положением направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя посредством привода, связанного с регулятором, вход которого связан с выходом элемента сравнения. Первый вход элемента сравнения связан с выходом блока вычисления приведенного расхода воздуха. Первый вход блока вычисления приведенного расхода воздуха соединен с датчиком положения направляющих аппаратов компрессора, второй вход соединен с датчиком температуры воздуха на входе в газотурбинный двигатель, третий - с датчиком давления воздуха на входе в двигатель. Устройство также содержит первый и второй программные блоки управления расходом воздуха. Выходы данных блоков связаны с первым и вторым входами сумматора, выход которого связан со вторым входом элемента сравнения. Вход второго программного блока имеет возможность связи с датчиком температуры воздуха на входе в газотурбинный двигатель, а вход первого программного блока связан с выходом блока вычисления приведенной частоты вращения ротора компрессора, выход которого также связан с четвертым входом блока вычисления приведенного расхода воздуха, а вход блока вычисления приведенной частоты вращения ротора компрессора имеет возможность соединения с датчиком частоты вращения ротора компрессора. Пятый вход блока вычисления приведенного расхода воздуха имеет возможность соединения с датчиком давления воздуха на выходе из компрессора. Второй вход блока вычисления приведенной частоты вращения ротора компрессора имеет возможность соединения с датчиком температуры воздуха на входе в газотурбинный двигатель. В процессе работы газотурбинного двигателя и функционирования устройства управления положение направляющих аппаратов регулируется приводом, параметры работы газотурбинного двигателя отслеживаются поименованными выше датчиками. (RU 94636 U1, F02C 7/26, 27.05.2010) /1/.
В результате анализа известной системы необходимо отметить, что ее использование 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. Однако в нем регулирование положения направляющих аппаратов осуществляется по отношению заданного и текущего расходов воздуха степени сжатия воздуха, что не позволяет осуществлять регулирование положения направляющих аппаратов, в том числе на переходных режимах, с высокой точностью в широких диапазонах регулирования по частоте вращения ротора компрессора, особенно на повышенных значениях частоты вращения. Для достижения максимальной тяги требуется более высокая степень сжатия компрессора, чем для обеспечения минимального расхода топлива. Поэтому при положении рабочей линии, обеспечивающем максимальную тягу двигателя, будет повышенный по сравнению с оптимальным значением удельный расход топлива. Положение рабочей линии выбирается из условия достижения максимальной тяги двигателя при взлете и наборе скорости. Поэтому при единой для всех режимов работы рабочей линии не обеспечивается минимальный удельный расход топлива на крейсерских режимах полета.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату является система управления положением направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя, содержащая сумматор, имеющий возможность связи выходом с механизмом управления положением направляющих аппаратов. Система содержит первый и второй переключатели, каждый из которых выполнен в виде ключа, управляемого исполнительным механизмом. Первый и второй входы сумматора связаны соответственно с первым и вторым ключами. Исполнительные механизмы переключателей управляются от элемента сравнения, первый вход которого связан с блоком формирования заданной приведенной частоты вращения ротора компрессора, а второй - с блоком формирования фактической приведенной частоты вращения ротора компрессора, который по существу является программным блоком, входы которого связаны с датчиками температуры воздуха на входе в двигатель и частоты вращения ротора компрессора. Ключ первого переключателя связан с выходом регулятора отношения давления воздуха за компрессором и давления воздуха на входе в компрессор, входы которого связаны с датчиками давлений за и перед компрессором. Ключ второго переключателя связан с выходом регулятора расхода воздуха, пропускаемого через компрессор, вход которого связан с датчиком расхода воздуха. В процессе работы газотурбинного двигателя и функционирования системы управления положение направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя регулируется исполнительным механизмом. (RU 112725 U1, F04D 27/00, 10.10.2011) /2/.
В результате анализа данной системы необходимо отметить, что ее использование позволяет обеспечить заданное положение рабочей линии на напорных ветках характеристики компрессора и тем самым сохранить максимальное значение коэффициента полезного действия компрессора и его запасов газодинамической устойчивости за счет более точного регулирования по расходу воздуха на пониженной частоте вращения ротора компрессора. Однако указанная система обеспечивает только заданное положение рабочей линии, не предусматривая при этом возможность корректировки положения рабочей линии в зависимости от условий полета.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение экономичности газотурбинного двигателя на крейсерских режимах работы.
Ожидаемый технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой системы, - повышение эффективности регулирования газотурбинного двигателя, позволяющее обеспечить снижение удельного расхода топлива при полете на крейсерских режимах.
Ожидаемый технический результат обеспечивается тем, что система управления положением направляющих аппаратов компрессора двухвального газотурбинного двигателя, содержащая сумматор, имеющий возможность связи выходом с механизмом управления положением направляющих аппаратов, переключатель, выход которого связан с первым входом сумматора, программный блок, блок вычисления приведенной частоты вращения ротора низкого давления, связанный с датчиками частоты вращения ротора низкого давления и температуры воздуха на входе в двигатель, согласно изобретению снабжена вторым программным блоком, датчиком положения направляющих аппаратов и датчиком частоты вращения ротора высокого давления, компаратором, электрогидравлическим клапаном системы охлаждения турбины, при этом вход компаратора связан с датчиком частоты вращения ротора высокого давления, выход компаратора связан с электрогидравлическим клапаном системы охлаждения турбины, переключатель имеет управляющий вход, который связан с выходом электрогидравлического клапана системы охлаждения турбины, а также первый и второй входы, которые связаны соответственно с выходами первого и второго программных блоков, входы которых связаны с выходом блока вычисления приведенной частоты вращения ротора низкого давления, а со вторым входом сумматора связан датчик положения направляющих аппаратов.
На чертеже представлена схема системы управления положением направляющих аппаратов компрессора двухвального газотурбинного двигателя.
вх
Система содержит датчики контроля параметров работы агрегатов газотурбинного двигателя, а именно: датчик 1 измерения частоты вращения ротора высокого давления; датчик 2 измерения частоты вращения ротора низкого давления двигателя (n); датчик 3 измерения температуры воздуха на входе в двигатель (Т); датчик 4 измерения положения направляющих аппаратов.
Датчик 1 частоты вращения ротора высокого давления через компаратор 5 подключен к электрогидравлическому клапану 6 системы охлаждения (не показана) турбины. Выход электрогидравлического клапана 6 подключен на управляющий вход переключателя 7.
Датчик 3 температуры воздуха на входе в двигатель подключен к первому входу блока 8 вычисления приведенной частоты вращения ротора низкого давления, ко второму входу которого подключен датчик 2 частоты вращения ротора низкого давления.
Система оснащена первым 9 и вторым 10 программными блоками, выходы которых соединены с первым и вторым входами переключателя 7 соответственно, а входы их связаны с выходом блока 8.
Выход переключателя 7 связан с первым входом сумматора 11, со вторым входом которого связан датчик 4 измерения положения направляющих аппаратов. Выход сумматора 11 связан с механизмом управления положением (не показан) направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя.
Все используемые в системе блоки и элементы являются известными и реализуют присущие им функции, их конкретное выполнение не является предметом патентной охраны, поэтому в материалах заявки указываются их выполняемые функции, а конкретное выполнение не раскрыто.
Сумматор 11 может быть реализован в виде устройства сложения сигналов как в гидравлическом, так и электронном исполнении.
Программные блоки 9 и 10 представляют собой нелинейные преобразователи и могут быть реализованы на стандартных процессорах.
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mroot><mrow><mfrac><mrow><mn>288</mn></mrow><mrow><mi>Т</mi><mmultiscripts><mrow /><mprescripts /><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow><none /></mmultiscripts></mrow></mfrac></mrow><mi>n</mi></mroot></mrow>
пр
вх
Блок 8 вычисления приведенной частоты вращения ротора низкого давления может представлять программный блок, реализующий функцию
, где n - приведенная частота вращения, n - физическая частота вращения, Т - температура воздуха на входе в компрессор.
В качестве компаратора 5 может быть использовано стандартное электронное реле.
Система управления положением направляющих аппаратов компрессора двухвального газотурбинного двигателя работает следующим образом.
В процессе работы системы параметры ее работы контролируются датчиками. Сигнал с датчика 1 поступает на компаратор 5, где при превышении порога компаратора на его выходе формируется сигнал низкого уровня, по которому клапан 6 полностью открыт, обеспечивая максимальное охлаждение турбин.
Сигнал с датчика 2 поступает на второй вход блока 8. Сигнал с датчика 3 поступает на первый вход блока 8, который с учетом сигнала с датчика 2 формирует сигнал приведенной частоты вращения ротора низкого давления. Данная операция широко известна в системах управления газотурбинного двигателя и нет необходимости подробно останавливаться на ее описании.
Сигнал с датчика 4 поступает на второй вход сумматора 11.
Положение направляющих аппаратов формируется программными блоками 9 и 10 в зависимости от значения приведенной частоты вращения ротора низкого давления.
Программа, формируемая блоком 9, определена приведенным расходом воздуха, потребным для обеспечения максимальной тяги двигателя. Сигнал с выхода блока 9 подается на первый вход переключателя 7. Программа блока 10 определена приведенным расходом воздуха, потребным для обеспечения минимального удельного расхода топлива.
На максимальных режимах работы газотурбинного двигателя частоты вращения ротора высокого давления превышают установленный компаратором 5 порог. На его выходе формируется сигнал низкого уровня, при котором электрогидравлический клапан 6 перемещается в положение максимального охлаждения турбин. Сигнал о включении максимального охлаждения турбин поступает на управляющий вход переключателя 7, который подключает к своему выходу первый вход. В результате на вход сумматора 11 поступает сигнал управления положением направляющих аппаратов с выхода первого программного блока 9. Данный сигнал суммируется с сигналом датчика 4, в результате чего на выходе сумматора 11 формируется управляющий сигнал, поступающий на механизм управления положением направляющих аппаратов, который, в соответствии с данным сигналом, устанавливает направляющие аппараты в положение, обеспечивающее максимально возможную тягу.
При крейсерском режиме полета значение частоты вращения ротора высокого давления двигателя ниже установленного компаратором 5 порога срабатывания. На его выходе формируется сигнал высокого уровня, в соответствии с которым клапан 6 переводится в положение, уменьшающее интенсивность охлаждения турбины. Сигнал о выключении максимального охлаждения турбин поступает на управляющий вход переключателя 7 и подключает к его выходу второй вход, к которому подсоединен выход второго программного блока 10. Данный сигнал суммируется с сигналом датчика 4, в результате чего на выходе сумматора 11 формируется управляющий сигнал, поступающий на механизм управления положением направляющих аппаратов, который, в соответствии с данным сигналом, устанавливает направляющие аппараты в положение, обеспечивающее минимальную тягу.
Предложенное решение позволяет снизить расход топлива при полете на крейсерском режиме на 2-3% за счет переключения на линию установившихся режимов, обеспечивающую наименьший удельный расход топлива, при переходе работы двигателя с максимального на крейсерский режим.