СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАСХОДОМ ТОПЛИВА В ФОРСАЖНУЮ КАМЕРУ СГОРАНИЯ ДВУХКОНТУРНОГО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR CONTROLLING FUEL FLOW INTO AFTERBURNER COMBUSTION CHAMBER OF BY-PASS ENGINE

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в автоматической системе управления двухконтурного турбореактивного двигателя с форсажной камерой сгорания (ТРДДФ) со смешением потоков контуров.
Как известно, форсажные камеры применяются для максимально возможного увеличения тяги двигателя, поэтому оптимальный состав топливо-воздушной смеси в них принимается близким к стехиометрическому:
α∑=Gb/((Gт+Gт.ф.)×Lo)=1,1…1,3
где α∑ - суммарный коэффициент избытка окислителя (воздуха),
Gb - расход воздуха на входе в двигатель,
Gт - расход топлива в основную камеру сгорания,
Gт.ф. - расход топлива в форсажную камеру сгорания,
Lo - количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания 1 кг топлива (при содержании кислорода 23,1% по массе) (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. Под ред. С.М. Шляхтенко, М, Машиностроение - 1987 г.).
Известно, что форсажная камера сгорания современного ТРДДФ включает в себя смеситель, фронтовое устройство с топливными коллекторами и стабилизаторами, а ее топливная система состоит из форсажного насоса, регулятора сопла и форсажа, распределителя форсажного топлива, соединенного трубопроводами с топливными коллекторами, оснащенными распылителями (С.В. Фалалеев «Конструкция ТРДДФ Ал-31Ф», СГАУ, Самара, 2013 г., УДК 621.431.75).
Для обеспечения высокого уровня полноты сгорания топлива оптимальный состав топливо-воздушной смеси, близкий к стехиометрическому, должен поддерживаться по всему поперечному сечению форсажной камеры во всем диапазоне эксплуатационных высот и скоростей полета летательного аппарата. Так как для двухконтурных турбореактивных двигателей в зависимости от высоты и скорости полета летательного аппарата характерно изменение в широком диапазоне степени двухконтурности, ведущей к изменению соотношения параметров потоков контуров на входе в смеситель (воздуха за компрессором низкого давления и газов за турбиной), а также полей скоростей, давлений, температур и концентрации свободного кислорода в газо-воздушном потоке на выходе из смесителя, требуется соответствующее управление расходом топлива в форсажную камеру, включая регулирование распределения топлива между ее коллекторами.
Известен способ управления расходом топлива в форсажную камеру сгорания газотурбинного двигателя, заключающийся в том, что для заданного режима форсирования, например, положением рычага управления двигателем (РУД), расход топлива в форсажную камеру определяют с помощью математической модели по следующим измеренным параметрам: расход топлива в основную камеру сгорания, частота вращения вала низкого давления, полное давление воздуха за компрессором, полная температура воздуха на входе в двигатель (патент РФ №2464437, МПК F02C 9/00, опубл. 20.10.2012 г.).
Недостатком данного способа является то, что он не предусматривает регулирование распределения расхода топлива между коллекторами форсажной камеры в зависимости от концентрации свободного кислорода в газо-воздушном потоке на выходе из смесителя. Это ведет к неполному использованию возможности максимального увеличения тяги двигателя на форсажных режимах.
Наиболее близким предлагаемому способу является способ управления расходом топлива в форсажную камеру сгорания газотурбинного двигателя, заключающийся в том, что по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором, давлению газа за турбиной двигателя, положению РУД и расходу топлива в основную камеру сгорания (ОКС) управляют расходом топлива в ФКС, причем дополнительно в процессе форсажной приемистости при подключении очередного топливного коллектора ФКС на время его заполнения увеличивают расход форсажного топлива через предыдущий коллектор на величину объема очередного (патент РФ №2438031, МПК F02C 9/28, МПК F02K 3/10, МПК F023R 3/28, опубл. 27.12.2011 г.).
Недостатком данного способа является то, что он предусматривает регулирование распределения расхода форсажного топлива между коллекторами форсажной камеры сгорания только как коррекцию в процессе форсажной приемистости на величину объема очередного коллектора и не предусматривает регулирование распределение расхода топлива между коллекторами форсажной камеры в зависимости от концентрации свободного кислорода в газо-воздушном потоке на выходе из смесителя. Это ведет к неполному использованию возможности максимального увеличения тяги двигателя на форсажных режимах.
В основу изобретения положена задача повышения эффективности работы ТРДДФ на форсажных режимах.
Технический результат предложенного изобретения - обеспечение оптимального для эффективного горения распределения топлива по сечению форсажной камеры.
Поставленная задача решается тем, что для заданного режима форсирования двигателя расход топлива в форсажную камеру определяют с помощью математической модели по следующим измеренным параметрам: температуре воздуха на входе в двигатель, частоте вращения вала ротора низкого давления, давлению воздуха за компрессором, давлению газов за турбиной, расходу топлива в основную камеру сгорания, причем топливо распределяют между топливными коллекторами в зависимости от фактической концентрации кислорода, измеренной перед распылителями топливных коллекторов, обеспечивая нормируемое значение коэффициента избытка кислорода.
Измерение фактической концентрации кислорода перед распылителями топливных коллекторов форсажной камеры и осуществление на основе данных измерений распределения расхода топлива в форсажную камеру между топливными коллекторами, с обеспечением нормируемого значения коэффициента избытка кислорода позволяет оптимально распределить топливо по сечению форсажной камеры и тем самым обеспечить его эффективное горение.
Способ согласно изобретению иллюстрируется рисунком, на котором схематично представлена система управления расходом топлива в форсажную камеру ТРДДФ.
Система включает: ТРДДФ 1 как объект управления, командный орган задания форсажного режима 2 (например, в виде рычага управления двигателем - РУД с датчиком его углового положения), программный блок управления 3 ТРДДФ, датчик 4 полной температуры воздуха на входе в ТРДДФ, датчик 5 частоты вращения вала ротора низкого давления, датчик 6 полного давления воздуха за компрессором, датчик 7 давления газов за турбиной, датчик 8 расхода топлива в основную камеру сгорания, датчики 9 концентрации свободного кислорода перед распылителями топливных коллекторов форсажной камеры ТРДДФ и исполнительный орган 10 расхода форсажного топлива. Для измерения концентрации свободного кислорода могут быть использованы датчики аналогичные применяемым в системах управления поршневыми автомобильными двигателями (В.П. Лещенко, «Кислородные датчики», Москва, Легион-Автодата, 2003 г.).
Способ согласно изобретению осуществляют следующим образом.
На вход программного блока управления 3 ТРДДФ 1 поступают информационные сигналы с командного органа задания форсажного режима 2, датчика 8 расхода топлива в основную камеру сгорания Gт, датчика 4 полной температуры воздуха на входе в ТРДДФ 1, датчика 5 частоты вращения вала ротора низкого давления, датчика 6 полного давления воздуха за компрессором, датчика 7 давления газов за турбиной, датчиков 9 концентрации свободного кислорода перед распылителями топливных коллекторов форсажной камеры ТРДДФ 1. Программным блоком управления 3 на основании этих информационных сигналов, в соответствии с математической моделью, осуществляют определение расхода форсажного топлива с распределением его по топливным коллекторам, обеспечивая нормируемое значение коэффициента избытка кислорода, формирование соответствующих управляющих сигналов и их подача на исполнительный орган 10 расхода форсажного топлива. Исполнительный орган 10 расхода форсажного топлива на основе этих управляющих сигналов и поступающего в него расхода топлива Gф.н. от форсажного насоса (не показан), формирует и выдает расход форсажного топлива Gт.ф. в топливные коллекторы форсажной камеры.
Таким образом, способ управления расходом топлива в форсажную камеру согласно изобретению обеспечивает оптимальное распределение топлива по сечению форсажной камеры для эффективного его горения.