СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ФОРСАЖНОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ
CONTROL METHOD OF GAS TURBINE ENGINE WITH AFTERBURNER

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах (САУ) автоматического управления газотурбинными двигателями (ТРДФ) с форсажной камерой сгорания (ФКС).
Известен способ управления ТРДФ, заключающийся в том, что по измеренному давлению воздуха за компрессором управляют расходом топлива в ФКС (форсажным топливом), Черкасов Б.А. «Автоматика и регулирование ВРД», М., «Машиностроение», 1965 г., с.60-70.
Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает сохранение неизменным режима работы основного контура: влияние подачи форсажного топлива на перепад давлений газа на турбине двигателя не контролируется, что может привести к значительному отклонению температуры газов перед турбиной от расчетного значения. Это снижает надежность работы двигателя и приводит к ускоренной выработке его ресурса.
Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности является способ управления ТРДФ, 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 измеренным положению РУД и перепаду давлений газа на турбине двигателя управляют гидроцилиндрами привода створок реактивного сопла (Шляхтенко С.М. «Теория авиационных ВРД», М., «Машиностроение», 1975 г., с.303-305, 307-308).
Недостатком этого способа является следующее.
При таком управлении расходом форсажного топлива не удается добиться оптимального коэффициента избытка воздуха при запуске ФКС, что снижает надежность розжига ФКС и выхода двигателя на форсажные режимы работы.
Целью изобретения является повышение качества работы САУ и, как следствие, повышение надежности работы двигателя на запуске ФКС.
Поставленная цель достигается тем, что в способе управления ТРДФ, заключающемся 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 измеренным положению РУД и перепаду давлений газа на турбине двигателя управляют гидроцилиндрами привода створок реактивного сопла (PC), дополнительно в процессе приемо-сдаточных испытаний (ПСИ) двигателя экспериментальным путем определяют минимально допустимый коэффициент избытка воздуха в ФКС - «богатую» границу розжига ФКС, максимально допустимый коэффициент избытка воздуха в ФКС - «бедную» границу розжига ФКС, заносят полученные данные в формуляр двигателя и запоминающее устройство электронного регулятора двигателя, в процессе эксплуатации двигателя корректируют полученные в процессе ПСИ минимальный и максимальный коэффициенты избытка воздуха по величине давления воздуха на входе в двигатель, перед включением ФКС устанавливают створки PC в положение, обеспечивающее расход газа через площадь критического сечения PC, соответствующий скорректированной «богатой» границы розжига ФКС, подают в ФКС пусковой расход форсажного топлива, включают агрегат «огневой дорожки» и контролируют розжиг ФКС по измеренной температуре газа в ФКС, если розжиг ФКС не произошел, отключают пусковой расход форсажного топлива и агрегат «огневой дорожки», изменяют положение створок PC таким образом, чтобы коэффициент избытка воздуха увеличился на 5%, подают в ФКС пусковой расход форсажного топлива, включают агрегат «огневой дорожки» и контролируют розжиг ФКС по измеренной температуре газа в ФКС, если розжиг ФКС не произошел, изменяют положение створок PC таким образом, чтобы коэффициент избытка воздуха увеличился еще на 5%, и повторяют процедуру розжига, если розжиг ФКС не произошел, повторяют всю процедуру запуска ФКС и делают это до тех пор, пока не будет зафиксирован розжиг ФКС, если увеличенный в очередной раз коэффициент избытка воздуха стал больше или равен скорректированного максимально допустимого коэффициента избытка воздуха в ФКС, попытки запуска ФКС прекращают и проводят внеочередной регламент двигателя.
На чертеже представлена схема устройства, реализующая заявляемый способ.
Устройство содержит последовательно соединенные блок 1 датчиков (БД), электронный регулятор 2 (ЭР), блок 3 электрогидропреобразователей, дозатор 4 форсажного топлива, запорный клапан 5 (ЗК) пускового коллектора ФКС (не показан), к выходу блока 3 подключен исполнительный механизм 5 (ИМ) управления гидроцилиндрами привода створок PC, к выходу ЭР 2 подключены агрегат 6 «огневой дорожки» и ЗК 5.
Устройство работает следующим образом.
В процессе ПСИ ТРДФ экспериментальным путем определяют:
αΣ min изм. - минимально допустимый коэффициент избытка воздуха в ФКС,
αΣ max изм. - максимально допустимый коэффициент избытка воздуха в ФКС.
Полученные величины заносят в память ЭР 2 (с помощью постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) вычислителя ЭР 2 - не показаны).
При эксплуатации двигателя по измеренному с помощью БД 1 давлению воздуха на входе в двигатель ЭР 2 формирует корректированное значение коэффициентов избытка воздуха:
где
αΣ min корр. - корректированное значение минимально допустимого коэффициента избытка воздуха в ФКС,
αΣ min изм. - значение минимально допустимого коэффициента избытка воздуха в ФКС, определенное в процессе ПСИ двигателя,
Рк - давление воздуха на входе в двигатель.
Примеры зависимости (1) приведены в книге Шляхтенко С.М. «Теория авиационных ВРД», М., «Машиностроение», 1975 г., с.166-167.
где
αΣ max корр. - корректированное значение максимально допустимого коэффициента избытка воздуха в ФКС,
αΣ max изм. - значение максимально допустимого коэффициента избытка воздуха в ФКС, определенное в процессе ПСИ двигателя,
Рк - давление воздуха на входе в двигатель.
Примеры зависимости (2) приведены в книге Шляхтенко С.М. «Теория авиационных ВРД», М., «Машиностроение», 1974 г.
По измеренным с помощью БД 1 температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором двигателя, положению РУД и расходу топлива в ОКС ЭР 2 формирует заданное значение расхода топлива в ФКС:
где
Gt ф зад. - заданный расход топлива в ФКС,
α руд - угол установки РУД,
Твх - температура воздуха на входе в двигатель,
Рк - давление воздуха за компрессором двигателя,
Gт окс - измеренный расход топлива в ОКС.
Примеры зависимости (3) приведены в книге Шляхтенко С.М. «Теория авиационных ВРД», М., «Машиностроение», 1975 г., с.303-305, 307-308.
По измеренным с помощью БД 1 положению РУД давлению воздуха за компрессором двигателя, давлению газа за турбиной двигателя ЭР 2 формирует заданное значение положения створок PC:
где
F с зад. - заданное положение створок PC,
α руд - угол установки РУД,
Рк - давление воздуха за компрессором двигателя,
Рт - давление газа за турбиной двигателя.
Примеры зависимости (4) приведены в книге Шляхтенко С.М. «Теория авиационных ВРД», М., «Машиностроение», 1975 г., с.303-305.
В зависимости от величины заданного расхода форсажного топлива и заданного положения створок PC ЭР 2 формирует электрические управляющие воздействия, поступающие в блок 3, где они преобразуются в гидравлические управляющие воздействия на дозатор 4 и ИМ 6.
Запуск ФКС производится следующим образом.
По измеренным с помощью БД 1 температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором двигателя, положению РУД, и расходу топлива в ОКС ЭР 2 формирует заданное значение пускового расхода топлива в ФКС:
где
Gт ф пуск. зад. - заданный пусковой расход топлива в ФКС,
α руд - угол установки РУД,
Твх - температура воздуха на входе в двигатель.
Примеры зависимости (5) приведены в книге Шляхтенко С.М. «Теория авиационных ВРД», М., «Машиностроение», 1975 г., с.119-127.
Створки PC устанавливают в положение, обеспечивающее расход газа через площадь критического сечения PC, соответствующий скорректированной «богатой» границе розжига ФКС. Делается это следующим образом
По рассчитанной величине заданного пускового топлива в ФКС ЭР 2 формирует величину необходимого для его «стехиометрического» сжигания расхода воздуха:
где
Gв фкс зад. - расход воздуха, необходимый для «стехиометрического» сжигания заданного пускового расхода топлива в ФКС,
Gт ф пуск. зад. - заданный пусковой расход топлива в ФКС,
Lо=14,8 - теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг авиационного керосина.
По рассчитанной величине Gв фкс зад. ЭР 2 формирует значение расхода воздуха, необходимое для организации процесса горения топлива в ФКС с минимально допустимым коэффициентом избытка воздуха:
где
Gв фкс min - значение расхода воздуха, необходимое для организации процесса горения топлива в ФКС с минимально допустимым коэффициентом избытка воздуха,
Gв фкс зад. - расход воздуха, необходимый для «стехиометрического» сжигания заданного пускового расхода топлива в ФКС,
αΣ min корр. - корректированное значение минимально допустимого коэффициента избытка воздуха в ФКС.
По рассчитанной величине Gв фкс min ЭР 2 формирует величину суммарного расхода газа:
где
Gг фкс - суммарный расход газа,
Gв фкс min - значение расхода воздуха, необходимое для организации процесса горения топлива в ФКС с минимально допустимым коэффициентом избытка воздуха,
Gт ф пуск. зад. - заданный пусковой расход топлива в ФКС.
По рассчитанной величине Gг фкс ЭР 2 формирует заданное положение створок PC, которое обеспечивает расход газа через площадь критического сечения PC, соответствующий скорректированной «богатой» границе розжига ФКС:
где
F с зад. min - заданное положение створок PC, которое обеспечивает расход газа через площадь критического сечения PC, соответствующий скорректированной «богатой» границе розжига ФКС,
Рф - давление газа в ФКС,
Тф - температура газа в ФКС.
Примеры зависимости (9) приведены в книге Шляхтенко С.М. «Теория авиационных ВРД», М., «Машиностроение», 1975 г., с.303-305.
В зависимости от величины заданного расхода форсажного топлива Gт ф пуск. зад. и заданного положения створок PC F с зад. min ЭР 2 формирует электрические управляющие воздействия, поступающие в блок 3, где они преобразуются в гидравлические управляющие воздействия на дозатор 4 и ИМ 6. В соответствии с этими управляющими воздействиями дозатор 4 устанавливается в положение, соответствующее величине заданного расхода пускового форсажного топлива Gт ф пуск. зад., ИМ 6 обеспечивает установку гидроцилиндров PC и, соответственно створок PC, в положение, при котором расход газа через площадь критического сечения PC соответствует скорректированной «богатой» границе розжига ФКС.
По командам ЭР 2:
- открывается ЗК 5, пусковое форсажное топливо подается в пусковой коллектор,
- включается агрегат 7 «огневой дорожки»,
- производится попытка запуска ФКС.
Эр 2 контролирует розжиг ФКС с помощью ионизационного датчика пламени из состава БД 1.
В случае, если в течение наперед заданного времени (от 1 до 3 с - в зависимости от типа двигателя), сигнал о розжиге ФКС не поступил, ЭР 2 с помощью ЗК 5 отключает пусковой расход форсажного топлива и агрегат 7 «огневой дорожки».
Далее ЭР 2 заменяет в формуле (7) значение αΣ min корр. на αΣ min корр. × 1.05 и проводит новый цикл расчета по формулам (8) и (9). В соответствии с новым значением F с зад. min ЭР 2 с помощью блока 3 и ИМ 6 изменяет положение створок PC таким образом, чтобы коэффициент избытка воздуха увеличился на 5%. После этого по командам ЭР 2:
- открывается ЗК 5, пусковое форсажное топливо подается в пусковой коллектор,
- включается агрегат 7 «огневой дорожки»,
- производится попытка запуска ФКС.
Эр 2 контролирует розжиг ФКС с помощью ионизационного датчика пламени из состава БД 1.
В случае, если снова в течение наперед заданного времени сигнал о розжиге ФКС не поступил, ЭР 2 с помощью ЗК 5 отключает пусковой расход форсажного топлива и агрегат 7 «огневой дорожки».
Далее ЭР 2 заменяет в формуле (7) значение αΣ min корр. на αΣ min корр. × 1.1 и проводит новый цикл расчета по формулам (8) и (9). В соответствии с новым значением F с зад. min ЭР 2 с помощью блока 3 и ИМ 6 изменяет положение створок PC таким образом, чтобы коэффициент избытка воздуха увеличился еще на 5%.
Таким образом повторяют всю процедуру запуска ФКС до тех пор, пока не будет зафиксирован розжиг ФКС.
В случае, если количество попыток запуска ФКС превысило 20 (прошли всю область допустимых значений коэффициента избытка воздуха в ФКС - от αΣ min корр. до αΣ max корр.), а положительного результата - розжига ФКС добиться не удалось, проводят внеочередные регламентные работы по двигателю с целью отыскания и устранения имеющейся неисправности.
Т.о. за счет повышения качества работы САУ обеспечивается повышение надежности розжига ФКС и выхода двигателя на форсажные режимы работы и, как следствие, повышение надежности работы двигателя и безопасности ЛА.