СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ВОЗДУХА В ГАЗОВОЙ ТУРБИНЕ И СИСТЕМА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ДАННОГО СПОСОБА
GAS TURBINE AIR FLOW CONTROL METHOD, AND SYSTEM FOR IMPLEMENTING THIS METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к турбинам высокого давления, например, используемым в авиационных двигателях, в которых зазор между торцами лопаток ротора и оболочкой статора регулируют при помощи потока воздуха с контролируемым расходом.
Уровень техники
На фиг.1 изображена турбина 100 высокого давления турбореактивного двигателя турбомашины, состоящая, по существу, из рабочих (подвижных) лопаток 102, расположенных в канале 105 течения горячих газов, поступающих из камеры сгорания (не представлена). Рабочие лопатки 102 турбины окружены кольцевой оболочкой 106. Оболочка 106 прикреплена к корпусу 108 турбины при помощи секторных перемычек 110.
Известный метод повышения кпд такой турбины заключается в максимальном уменьшении зазора , имеющегося между торцами рабочих лопаток 102 ротора турбины и оболочки 106.
С этой целью вокруг корпуса 108 турбины устанавливают устройство 112 регулирования величины зазора . Это устройство 112 регулирования содержит, в частности, кольцевые каналы 114 циркуляции воздуха, обеспечивающие возможность выпуска воздуха на кольцевые ребра 116 корпуса 108 для их охлаждения.
В устройство 112 регулирования поступает воздух, забранный из других частей турбореактивного двигателя (вентилятора или ступеней компрессора высокого давления). Расход воздуха, вводимого в устройство 112, регулируется вентилем 120, расположенным перед устройством 112. Вентиль 120 оборудован исполнительным механизмом, который приводится в действие управляющим сигналом Scom. Этот сигнал устанавливает вентиль в какое-либо определенное положение между 0% и 100% открытия и, таким образом, устанавливает расход Fi потока воздуха, вводимого в устройство 112.
Управляющий сигнал Scom рассчитывается контуром регулирования, который сравнивает величину зазора, имеющегося между торцами лопаток ротора и оболочкой, с заданной величиной, соответствующей значению зазора, которое необходимо установить или поддерживать. Таким образом, поток Fi воздуха, поступающего в устройство 112, регулируется в зависимости от получаемого управляющего сигнала Scom, что позволяет обеспечивать термическое расширение или сокращение кольцевых ребер 116 корпуса 108 с целью изменения размеров оболочки 106 турбины и, таким образом, устанавливать заданную величину зазора .
Рассмотренное техническое решение, которое является ближайшим аналогом настоящего изобретения, описано в патентном документе GB 2104966 A, F01D 11/08, 16.03.1983. Однако, как было указано выше, в известном решении управление регулирующим вентилем осуществляется с использованием заданного значения только одного типа, а именно величины, характеризующей заданный зазор между торцами лопаток ротора и оболочкой. Это, в частности, объясняется тем, что данная управляющая логика используется на этапе крейсерского полета, т.е. на протяжении большей части полета. Хотя регулирование размера зазора позволяет повысить кпд двигателя и, следовательно, обеспечить экономию топлива в крейсерском режиме, этот критерий вовсе необязательно является приоритетным на других этапах работы двигателя, например, в режимах малого газа или взлета, на которых увеличение кпд пренебрежимо мало, или же регулирование невозможно (например, при слишком большой величине зазора при низких температурах в режиме малого газа).
Таким образом, известные системы не позволяют обеспечить регулирование потока воздуха при помощи других установленных значений, кроме значения величины зазора между торцами лопаток и оболочкой турбины.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении вышеуказанных недостатков и в предложении системы, обеспечивающей возможность управления потоком воздуха, вводимого в оболочку турбины, в зависимости от, по меньшей мере, еще одного параметра, отличного от заранее определенного значения зазора между ротором и оболочкой.
Для решения поставленной задачи предлагается система управления потоком воздуха, вводимого в оболочку газовой турбины авиационного двигателя, содержащая средства регулирования потока воздуха, выполненные предпочтительно в виде регулирующего вентиля. Указанные средства регулирования управляются первым управляющим сигналом, вычисляемым на основе первого заданного значения, соответствующего заранее определенной величине зазора между ротором и оболочкой турбины. Система по изобретению дополнительно содержит средства вычисления, по меньшей мере, второго управляющего сигнала на основе второго заданного значения, отличного от первого заданного значения, соответствующего величине зазора в турбине, и выбирающее средство, выполненное с возможностью осуществлять выбор данного второго управляющего сигнала для управления средствами регулирования (предпочтительно - регулирующим вентилем) в зависимости от значений одного или нескольких параметров двигателя.
Таким образом, управление потоком воздуха, вводимого в оболочку турбины, может осуществляться в соответствии с заданными значениями, отличными от значения, соответствующего величине зазора между лопатками и оболочкой. При этом система содержит средства изменения типа управляющего заданного значения в процессе работы.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения второе заданное значение соответствует заранее определенной температуре турбины или заранее определенной степени открытия вентиля.
Если второе заданное значение соответствует заранее определенной температуре турбины, выбирающее средство может выбирать второй управляющий сигнал в зависимости от значений одного или нескольких параметров двигателя, позволяющих выявить заранее определенную степень износа. Если второе заданное значение соответствует заранее определенной степени открытия вентиля, выбирающее средство выполнено с возможностью выбирать второй управляющий сигнал в зависимости от значений одного или нескольких параметров двигателя, позволяющих выявить переход двигателя в режим малого газа или же отсутствие или дефектность первого управляющего сигнала.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения система дополнительно содержит средства вычисления третьего управляющего сигнала на основе третьего заданного значения, отличного от первого и второго заданных значений, причем выбирающее средство выбирает третий управляющий сигнал в качестве сигнала управления регулирующим вентилем в зависимости от значений одного или нескольких параметров двигателя.
Если второе заданное значение соответствует заранее определенной температуре турбины, третье заданное значение может соответствовать заранее определенной степени открытия вентиля. И наоборот, если второе заданное значение соответствует заранее определенной степени открытия вентиля, третье заданное значение может соответствовать заранее определенной температуре турбины.
Средства вычисления управляющего сигнала могут содержать средства восстановления начального состояния двигателя по значениям одного или нескольких параметров двигателя. Это позволяет инициализировать одну или несколько математических моделей, используемых для вычисления управляющего сигнала в реальных условиях, в которых находится двигатель.
Поток воздуха, управляемый системой по изобретению, может представлять собой поток воздуха, поступающего от вентилятора или от одной или нескольких ступеней компрессора двигателя.
Настоящее изобретение также охватывает способ управления потоком воздуха, вводимым в оболочку газовой турбины авиационного двигателя и регулируемым указанными средствами регулирования потока воздуха (предпочтительно - регулирующим вентилем), управляемыми указанным первым управляющим сигналом, вычисленным на основе первого заданного значения, соответствующего заранее определенной величине зазора между ротором и оболочкой турбины. При этом согласно способу по изобретению дополнительно определяют, по меньшей мере, второй управляющий сигнал, вычисляемый на основе второго заданного значения, отличного от первого заданного значения, соответствующего величине зазора в турбине. Кроме того, выбор второго управляющего сигнала для управления средствами регулирования осуществляют в соответствии со значениями одного или нескольких параметров двигателя.
Второе заданное значение может соответствовать заранее определенной температуре турбины. В таком случае выбор второго управляющего сигнала производят в соответствии со значениями одного или нескольких параметров двигателя, позволяющих выявить повышение температуры, обусловленное износом, или же в соответствии с заранее определенной степенью открытия вентиля. При этом выбор управляющего сигнала производят в соответствии со значениями одного или нескольких параметров двигателя, позволяющих выявить переход двигателя в режим малого газа или дефектность первого управляющего сигнала.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения дополнительно вычисляют третий управляющий сигнал на основе третьего заданного значения. Данное третье значение отлично от первого и второго заданных значений, т.е. от заранее определенной температуры турбины или заранее определенной степени открытия вентиля в зависимости от значения, выбранного в качестве второго заданного значения. При этом третий управляющий сигнал, вычисляемый на основе одного или другого заданного значения, выбирают в зависимости от значений одного или нескольких параметров двигателя, как описано выше.
Краткое описание чертежей
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания конкретных вариантов осуществления изобретения, не налагающих каких-либо ограничений, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:
- вышеописанная фиг.1 схематично изображает устройство подачи воздуха в оболочку турбины высокого давления;
- фиг.2 изображает функциональную схему осуществления системы по настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг.2 представлена упрощенная модель системы 1 согласно изобретению для логического выбора формы управления потоком воздуха, вводимого в турбину высокого давления авиационного двигателя. Система 1 содержит, прежде всего, известный контур 10 обработки (управляющий контур), предназначенный для регулирования величины зазора между торцами лопаток турбины и ее оболочкой, как это описано выше со ссылками на фиг.1. Контур 10 содержит генератор 11 заданного значения, рассчитывающий требуемую величину зазора, который необходимо установить для получения определенных параметров 40 двигателя (скорости вращения, расхода топлива, давления и т.д.), измеряемых датчиками, установленными в двигателе. Генератор 11 передает заданное значение VC10 компаратору (схеме сравнения) 13, который, кроме этого, получает автоматически регулируемое значение Ga10, соответствующее текущей величине зазора. Автоматически регулируемое значение Ga10 рассчитывается блоком 12 моделирования, который содержит математическую модель 122, предназначенную для вычисления величины зазора, имеющегося между торцами лопаток и оболочкой турбины, поскольку эта величина не может быть измерена непосредственно. Моделирование величины зазора производится на основе соотношений, описывающих термическое и механическое поведение как ротора, так и статора.
Реальная величина зазора между торцами лопаток и оболочкой зависит не только от теплового расширения/сокращения элементов ротора и статора, но и от механических деформаций этих элементов, например удлинения лопаток под воздействием центробежной силы, порожденной вращением ротора, или увеличения диаметра оболочки под воздействием внутреннего давления двигателя. С учетом этого блок 12 моделирования получает параметры 40 двигателя, необходимые для вычисления величины зазора в соответствии с используемой моделью. В число измеряемых и используемых для вычислений параметров работы двигателя входят, например, скорость вращения турбины, температуры ротора и статора, внутреннее и внешнее давление вблизи турбины.
Кроме того, блок 12 моделирования содержит блок 121 восстановления начальных условий, который позволяет инициализировать или «запустить» модель в первые моменты работы управляющего контура. Модель содержит соотношения, которые позволяют описать поведение и предсказать смещения элементов в зависимости от значений измеренных параметров двигателя (температуры, давления, скорости вращения ротора, расхода топлива и т.д.) Однако эти соотношения, как правило, нелинейны и соответствуют предсказаниям, которые изменяются в зависимости от продолжительности работы двигателя. Следовательно, изначальная инициализация модели должна производиться в соответствии с условиями, в которых находится двигатель. В частности, необходимо «сообщить» модели информацию об условиях холодного или горячего запуска двигателя, чтобы модель могла корректно интерпретировать используемые измеренные параметры. Например, при горячем запуске двигателя величины механического смещения элементов двигателя больше, чем при холодном запуске и чем в последующие моменты, когда тепловое равновесие рабочего режима еще не достигнуто. Как следствие, в зависимости от ситуации варьируется также величина зазора  между вершинами лопаток ротора и оболочкой. Восстановление этого начального состояния может быть осуществлено с использованием измеренных параметров двигателя (температур, времени остановки и т.д.).
Блок 12 моделирования выдает автоматически регулируемое значение Ga10, соответствующее существующей (текущей) величине зазора между вершинами лопаток ротора и оболочкой турбины. Это значение Ga10 сравнивается с заданным значением VC10 в компараторе 13, который выдает выходное значение E10, соответствующее разности между значением Ga10 существующего зазора и заданным значением VC10, которое должно быть установлено. Значение E10 передается корректирующему модулю 14, который преобразует разность, рассчитанную компаратором 13, в управляющий сигнал SC10 регулирующего вентиля 60 так, чтобы обеспечить подачу в турбину воздушного потока с напором, обеспечивающим установление требуемой величины зазора.
Как было описано со ссылками на фиг.1, воздух подают на корпус турбины с целью изменения диаметра оболочки и, следовательно, величины зазора между лопатками ротора и оболочкой. Воздух, подаваемый в турбину, может поступать от вентилятора или же от одной или нескольких ступеней компрессора высокого давления, что позволяет получить поток воздуха различной температуры. Для простоты изложения средства регулирования потока воздуха, поступающего от вентилятора или компрессора, представлены регулирующим вентилем 60, который управляется управляющим сигналом SC. Тем не менее, для специалиста в данной области очевидно, что легко можно предусмотреть другие виды средств регулирования и, в частности, наличие нескольких регулирующих вентилей, особенно при отборе воздуха от нескольких ступеней компрессора.
Опишем теперь другие части системы, введенные в соответствии с изобретением. В их число входит, по меньшей мере, один контур 20 или 30 обработки, а также селектор 50 выбора управляющего сигнала (выбирающее средство), поступающего на регулирующий вентиль 60.
Контур 20 обработки отличается от контура 10 обработки тем, что логика управления вентилем осуществляется в соответствии с заданным значением VC20, которое соответствует значению температуры, а не величине зазора турбины. Для этого, как и в случае контура 10, контур 20 обработки содержит генератор 21 заданного значения, который выдает значение VC20 температуры в блок 22 моделирования. Блок 22 моделирования использует математическую модель 222, ассоциированную с модулем 221, для вычисления автоматически регулируемого значения Ga20, соответствующего некоторому значению температуры. На выходе генератора 21 и блока 22 модулирования включены компаратор 23, вычисляющий разность E20 между текущим значением Ga20 температуры и заданным значением VC20, и корректирующий модуль 24, который преобразует разность E20 в управляющий сигнал SC20 так, чтобы установить регулирующий вентиль 60 в положение, обеспечивающее установление заданного значения. Значение Ga20 получают таким же образом, как и описанное выше значение Ga10, но при использовании модели, содержащей только соотношения, описывающие термическое поведение. Параметры, измеряемые в двигателе и используемые блоком 22 моделирования, идентичны параметрам, используемым блоком 12 управления (температура, давление, скорость вращения ротора, расход топлива и т.д.).
Заданное значение VC20 температуры получают в зависимости от измеренных параметров двигателя. Эти параметры могут соответствовать температуре, давлению, скорости вращения ротора и расходу топлива в двигателе.
Контур 20 обработки позволяет контролировать температуру элементов турбины на тех этапах работы двигателя, на которых регулируемая величина зазора не определена, или же в случаях, когда длительность срока службы деталей более существенна, чем кпд двигателя. Это возможно, например, в случае, когда износ двигателя уменьшает его кпд. Удельный расход топлива и температура выхлопных газов увеличиваются пропорционально времени или количеству циклов работы двигателя. Таким образом, по мере старения двигателя для получения требуемой тяги увеличивают подачу топлива. Такое увеличение расхода топлива вызывает повышение температур в турбине, которое может привести к сокращению срока службы некоторых ее элементов, уже подвергшихся воздействию старения, в частности корпуса турбины. Регулирование потока воздуха в зависимости от температуры позволяет, следовательно, контролировать температуру этих элементов и увеличить срок их службы, в частности, на стадиях полета, требующих значительной тяги, - например, при взлете.
Выбор между управляющим сигналом SC10, регулирующим величину зазора, и управляющим сигналом SC20, регулирующим температуру, осуществляется селектором 50 в соответствии с одним или несколькими параметрами, получаемыми из параметров 40 двигателя. Например, степень старения двигателя пропорциональна повышению температуры выхлопных газов. Селектор 50 может, таким образом, отслеживать температуру выхлопных газов и выбирать, начиная с определенного порогового значения, в качестве сигнала SC, посылаемого на регулирующий вентиль 60 для управления им, управляющий сигнал SC20, устанавливающий заданное значение температуры, а не величину зазора. Существуют также и другие фазы работы двигателя, в которых может быть выгодно регулировать с помощью вентиля значение температуры, а не величину зазора. Такие фазы могут иметь место, например, при работе в условиях повышенной температуры: в случае набора высоты при максимальной загрузке самолета или при использовании двигателя, срок службы которого подходит к концу. Переход в одну из таких фаз отслеживают по значениям параметров, измеряемых в двигателе (температуры, давления, скорости вращения ротора, расхода топлива и т.д.), что позволяет осуществить автоматический выбор наиболее адекватной логики управления.
Система управления по фиг.2 дополнительно содержит еще один контур 30 обработки, предназначенный для прямого управления положением вентиля. Для этого контур 30 содержит генератор 31 заданного значения, который выдает заданное значение непосредственно в форме управляющего сигнала SC30, соответствующего заданной степени открытия вентиля от 0% до 100%.
Эта логика управления может быть использована, в частности, в тех фазах работы двигателя, в которых не определена величина зазора между лопатками и оболочкой турбины, а значения температур, существующих в турбине, значительно ниже уровня, который может привести к повреждению элементов турбины. Такие фазы соответствуют, по существу, режимам малого газа на земле. Для выбора в качестве управляющего сигнала SC, поступающего на регулирующий вентиль 60, сигнала SC30 управления положением селектор 50 может, например, отслеживать параметры режима работы двигателя (в частности, скорость вращения) для выявления наступления режима малого газа. Возможны и варианты осуществления, в которых селектором для выбора регулирования положения вентиля могут дополнительно учитываться такие параметры, как температура, давление или расход топлива.
Управляющий сигнал SC30 может быть использован также в качестве резервного управляющего сигнала в случае неисправности схемы управления, использующей другие контуры обработки. В этом случае при получении информации, свидетельствующей о неисправности схемы управления, селектор 50 заменяет дефектный управляющий сигнал на управляющий сигнал SC30 таким образом, чтобы установить вентиль в определенное положение.
Вышеописанные система и способ управления могут быть осуществлены при помощи программируемых средств обработки (например, микроконтроллера), известных как таковые. Система и способ по изобретению могут, например, быть запрограммированы и реализованы в электронном блоке управления двигателем.