СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ РАДИАЛЬНОГО ЗАЗОРА В ТУРБИНЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области авиационного двигателестроения, в частности, к системам активного управления радиальными зазорами газотурбинных двигателей (ГТД).
Известна система регулирования радиального зазора в турбине ГТД, содержащая датчики измерения радиального зазора, трубопровод, соединенный с аппаратом закрутки и с отверстиями в переднем дефлекторе и в диске, причем трубопровод связан с регулятором расхода воздуха, подаваемого от компрессора.
В процессе работы системы посредством датчиков постоянно измеряют радиальный зазор, значение которого передается в бортовой компьютер и в зависимости от величины значения выдают команду на регулятор для изменения расхода охлаждающего воздуха, подаваемого от компрессора для охлаждения ротора и статора турбины.
(см. опубликованная заявка РФ №2012118142, кл. F03H 99/00, 2013 г.).
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что при работе данной системы при осуществлении регулирования радиального зазора в турбине не учитывается влияние на его значение величины вытяжки рабочих лопаток турбины от действия центробежных сил, что снижает точность регулирования.
Известно устройство управления радиальными зазорами ГТД, включающее следующие датчики: температуры воздуха на входе в двигатель; частоты вращения ротора высокого давления двигателя; давления воздуха на входе в двигатель.
Датчики температуры воздуха и частоты вращения связаны с блоком формирования приведенной частоты вращения ротора, выход которого связан с первым компаратором, предназначенным для сравнения фактического значения приведенной частоты вращения с заранее заданным пороговым значением.
Устройство также оснащено вторым компаратором, предназначенным для сравнения фактической величины давления воздуха на входе в двигатель с заранее заданным пороговым значением. Первый выход первого компаратора и выход второго компаратора через схему «И» подключены к входу второго исполнительного механизма, а вход первого исполнительного механизма связан со вторым выходом первого компаратора.
Первый исполнительный механизм предназначен для регулирования подвода охлаждающего воздуха на обдув корпуса турбины по первой группе трубопроводов, а второй исполнительный механизм - по второй группе трубопроводов.
На вход схемы «И» подают два сигнала на включение обдува: первый - из первого компаратора, второй - из второго. Схема «И» работает в следующем логическом режиме. При поступлении сигналов на включение обдува из компараторов сигнал на включение второй группы трубопроводов из схемы «И» поступает на второй исполнительный механизм. Отключение второй группы трубопроводов по сигналам, поступающим на исполнительный механизм, осуществляется во всех остальных случаях.
При работе устройства, поступающие с датчиков сигналы и значение сигнала приведенной частоты вращения, поступают в компараторы, в которых они сравниваются с заданными пороговыми значениями. Сигнал рассогласования из второго компаратора поступает на вход схемы «И», а сигнал из первого компаратора (при условии, если приведенное значение больше порогового значения) на включение обдува поступает на первый исполнительный механизм и вход схемы «И». В схеме «И», в зависимости от значений выходных сигналов из компараторов, формируется сигнал, поступающий на второй исполнительный механизм по следующей логической схеме: когда оба выходных сигнала из компараторов поступают на вход схемы «И», то формируется сигнал на включение обдува корпуса с помощью второй группы трубопроводов, в остальных случаях формируется сигнал на отключение обдува корпуса.
Если приведенное значение больше порогового значения сигнал на включение поступает на первый исполнительный механизм, включающий первую группу трубопроводов, если это условие не выполняется, то обе группы трубопроводов отключены.
Если давление воздуха на входе в двигатель больше порогового значения - во втором компараторе формируется сигнал на выключение обдува.
Если это условие не выполняется, то возможны два варианта:
- если из двух компараторов на схему «И» поступают сигналы на включение обдува, то в схеме «И» формируется сигнал на второй исполнительный механизм, подключающий вторую группу трубопроводов;
- если из одного из компараторов (или из обоих) поступает сигнал на отключение обдува, схема «И» выдает на второй исполнительный механизм сигнал на отключение обдува.
(см. патент РФ №1540389, кл. F01D 11/08, 1994 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения известного устройства необходимо отметить, что оно не предполагает при работе непосредственного контроля величины радиального зазора, а основано на измерении влияющих на его величину косвенных параметров (температуры воздуха на входе в двигатель, частоты вращения ротора турбины, давления воздуха на входе в двигатель), сравнении их с заранее заданными пороговыми значениями и по результатам сравнения регулирования интенсивности обдува турбины, поэтому данное устройство не позволяет обеспечить поддержание радиального зазора с достаточной точностью, так как не учитывает реального его изменения в процессе работы турбины ГТД.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение точности регулирования радиального зазора в турбине ГТД путем постоянного контроля и поддержания его значения в заданных пределах за счет учета влияния на его значение динамических и монтажных факторов, а также за счет поддержания заданной температуры ротора и статора путем регулирования распределения расхода подаваемого на турбину воздуха на обдув ротора и статора. Это также позволяет сократить время приемистости двигателя по тяге и улучшить экономичность двигателя на стационарных режимах
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в системе регулирования радиального зазора в турбине газотурбинного двигателя, содержащей датчик частоты вращения ротора, первое и второе сравнивающее устройства, а также регулятор расхода воздуха, подаваемого от компрессора на ротор и статор турбины, новым является то, что система оснащена связанным с выходом регулятора распределителем долей воздуха, подаваемого на ротор и статор турбины, блоком вычисления центробежной вытяжки лопаток турбины, блоком вычисления радиальных зазоров на стационарных режимах работы турбины, блоком вычисления температурного расширения статора, блоком вычисления долей расхода воздуха для охлаждения ротора и статора турбины, а также датчиком температуры статора, первым, вторым и третьим сумматорами и измерителем величины радиального зазора, причем датчик частоты вращения ротора связан с блоком вычисления центробежной вытяжки лопаток турбины и блоком вычисления радиальных зазоров на стационарных режимах работы турбины, выход которого связан с первым входом первого сумматора, со вторым входом которого связан выход блока вычисления центробежной вытяжки лопаток турбины, выход первого сумматора связан с входом второго сумматора, выход второго сумматора связан с первым входом первого сравнивающего устройства, со вторым входом которого связан измеритель радиального зазора, а выход первого сравнивающего устройства связан с входом второго сравнивающего устройства и с регулятором, датчик температуры статора связан с блоком вычисления температурного расширения статора, выход которого связан с первыми входами блока вычисления долей расхода воздуха для охлаждения ротора и статора турбины и третьего сумматора, второй вход которого связан с измерителем величины радиального зазора, а выход - со вторым входом блока вычисления долей расхода воздуха для охлаждения ротора и статора, управляющего распределителем, при этом, система оснащена установленным в магистрали, соединяющей компрессор и регулятор регулируемым клапаном, управляющий элемент которого, связан с выходом второго сравнивающего устройства.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы регулирования радиального зазора в турбине ГТД.
т
Система регулирования радиального зазора в турбине ГТД, содержащей статор 1 и ротор 2, включает измеритель 3 величины радиального зазора δ(зазора между статором и лопатками турбины ротора), датчик 4 частоты вращения ротора, связанный с блоком 5 вычисления центробежной вытяжки лопаток турбины. Система также содержит блок 6 вычисления радиальных зазоров на стационарных режимах работы турбины, выход которого связан с первым входом первого сумматора 7, со вторым входом которого связан выход блока 5. Вход блока 6 связан с датчиком 4. Выход первого сумматора 7 связан с входом второго сумматора 8, в который введены значения монтажного зазора турбины. Выход второго сумматора 8 связан с первым входом первого сравнивающего устройства 9, со вторым входом которого связан измеритель 3. Выход первого сравнивающего устройства связан с входом второго сравнивающего устройства 10.
ГТД оснащен компрессором 11 одна из ступеней которого посредством воздушной магистрали через управляемый клапан 12, управляющий элемент которого связан с выходом второго сравнивающего устройства 10, связана с регулятором (дозатором) 13 общего расхода воздуха, выход которого связан с распределителем 14 долей воздуха, подаваемого на ротор 2 и статор 1 для их обдува с целью поддержания заданной температуры. Распределитель 14 долей воздуха может быть выполнен известным образом, но в любом исполнении он имеет два выходных канала, один из которых предназначен для обдува ротора, а другой - статора. Распределение количества воздуха, подаваемого на ротор и на статор турбины, осуществляется известным образом, например, управляемой заслонкой или заслонками, регулирующей (регулирующими) площадь проходного сечения выходных каналов. Дозирующий элемент регулятора 13 управляется сигналами, подаваемыми с первого сравнивающего устройства 9.
Система оснащена третьим сумматором 15, датчиком 16 измерения температуры статора турбины, блоком 17 вычисления температурного расширения статора (под данным термином следует понимать термические деформации деталей статора, влияющих на радиальный зазор турбины), блоком 18 вычисления долей воздуха на охлаждение ротора и статора турбины. Датчик 16 температуры связан с блоком 17 вычисления температурного расширения статора, выход которого связан с первыми входами блока 18 вычисления долей расхода воздуха на охлаждение ротора и статора турбины и третьего сумматора 15 соответственно. Второй вход сумматора 15 связан с измерителем 3, а выход третьего сумматора - со вторым входом блока 18.
Механическая связь между компрессором 11 и турбиной обозначена позицией 19.
Часть элементов системы может быть реализована на платах бортового компьютера (не показан).
Система скомпонована с использованием стандартных элементов и блоков.
Так в качестве измерителя зазора 3 и датчика температуры 16 статора могут быть использованы стандартные датчики.
цБ
цБ
цБ
2
В качестве блока 5 вычисления центробежной вытяжки рабочих лопаток турбин может быть использован стандартный программный блок или плата бортового компьютера регулятора двигателя, в которых рассчитывается вытяжка рабочих лопаток турбины в зависимости от скорости вращения ротора 2. Расчет может быть проведен, например, по следующей зависимости: Δδ=к∗n где к - наперед заданная величина, определяющая зависимость вытяжки материала, из которого изготовлена рабочая лопатка турбины от частоты вращения ротора турбины, а n - частота вращения ротора турбины.
лрр
лрр
В качестве блока 6 вычисления радиального зазора на стационарных режимах δ может быть использован стандартный программный блок или процессор бортового компьютера, в который заложена заранее вычисленная зависимость значений радиального зазора от частоты (n) вращения ротора, то есть: δ=f(n).
ст
ст
ст
т
В качестве блока 17 вычисления температурного расширения статора может быть использован программный блок, реализующий алгоритм: Δδ=λ T, где Δδ - доля радиального зазора δ, образованная за счет температурного расширения деталей статора, λ - коэффициент линейного расширения деталей статора,
ст
T - температура деталей статора.
рт
т
ст
В сумматоре 15 определяется доля радиального зазора, определяемая деталями ротора турбины по формуле: Δδ=δ-Δδ
р
Рт
Ст
Рт
рт
рт
Ст
ст
ст
рт
ст
р
В качестве блока 18 вычисления расхода (долей) воздуха на охлаждение ротора и статора турбины может быть использован программный блок, реализующий алгоритм: K=G/G где G=K Δδ - расход воздуха, поступающий к ротору турбины; G=K Δδ - расход воздуха, поступающий к статору турбины, где K и K - наперед заданные коэффициенты, зависящие от коэффициентов теплопередачи между воздухом и материалом статора и ротора турбины. Значения данных коэффициентов могут быть получены различным образом, например, при испытаниях ГТД. Значение K характеризует отношения расходов воздуха необходимых для обдува статора и ротора турбины.
В качестве сравнивающих устройств могут быть использованы практически любые устройства, реализующие алгоритм сравнения двух величин.
Устройства, обозначенные позициями 7, 8, 12, 13, 15 являются стандартными.
Элементы и устройства, по позициям 5, 6, 7, 8, 9, 10 могут быть реализованы на платах бортового компьютера.
Система регулирования радиального зазора в турбине ГТД работает следующим образом.
ст
Перед началом эксплуатации системы в блок 5 вводят значения величин вытяжки лопаток ротора турбины на всех режимах ее работы. В блок 6 вводят значения радиальных зазоров для стационарных режимов работы турбины. В блок 17 вводят расчетные значения температуры деталей статора турбины T.
В сумматор 8 вводят значение монтажного радиального зазора турбины, имеющего место при сборке турбины.
В сравнивающее устройство 10 вводят заданные значения размеров радиальных зазоров, определенные заранее экспериментальным путем в зависимости от температуры ротора и статора на всех режимах работы турбины.
В процессе работы ГТД компрессор 11 через связь 19 приводит во вращение ротор 2 турбины. От компрессора через открытый управляемый клапан 12 воздух через регулятор 13 расхода подается на распределитель 14, направляющий потоки воздуха на обдув ротора и статора турбины для поддержания их заданной температуры.
В процессе работы турбины, учитывая, что она работает в большом диапазоне режимов, радиальный зазор между ротором 1 и статором 2 постоянно меняется в зависимости от режимов работы ГТД, высоты полета и пр. Величина радиального зазора постоянно измеряется измерителем 3, частота вращения ротора постоянно измеряется датчиком 4, а температура статора 1 - датчиком 16.
В блоке 5, в зависимости от частоты вращения ротора, определяется значение центробежной вытяжки лопаток турбин.
Параллельно в блоке 6 осуществляется вычисление значений радиального зазора на стационарных режимах работы турбины, а в блоке 17 - значения температурного расширения статора, в зависимости от его измеренной датчиком 16 температуры.
Полученные в блоках 5 и 6 значения радиального зазора подаются на первый сумматор 7, где суммируются и сигнал, полученный в результате суммирования, подается на второй сумматор 8, где суммируются со значением монтажного зазора. В результате во втором сумматоре получаем сигнал, характеризующий расчетное значение зазора, которое учитывает его изменение на стационарных и переходных режимах работы турбины, а также учитывает значения монтажных зазоров.
Полученное расчетное значение зазора сравнивается в первом сравнивающем устройстве 9 с сигналом измерителя 3, характеризующим реальное значение радиального зазора на момент измерения, которое изменяется, в основном, в зависимости от температур нагрева ротора и статора, в результате чего получаем значение реального отклонения радиального зазора от расчетного, которое поступает на регулятор 13, регулируя подаваемый на делитель 14 расход воздуха от компрессора.
Параллельно сигнал с первого сравнивающего устройства 9 поступает на второе сравнивающее устройство 10, где сравнивается с заранее заложенными параметрами зазора. В случае, если реальное значение зазора больше или равно заложенному значению, то система работает в режиме обдува ротора и статора турбины, поддерживая значение зазора в заданном интервале за счет регулирования общего расхода воздуха, подаваемого на обдув ротора и статора. В случае, если реальное значение зазора меньше расчетного, то со сравнивающего устройства 10 поступает команда на клапан 12, который отсекает подачу воздуха на регулятор 13.
ст
р
р
Параллельно сигнал с блока 17, характеризующий долю радиального зазора Δδ, образованную за счет температурного расширения деталей статора, поступает на первый вход блока 18 и на первый вход третьего сумматора 15, на второй вход которого поступает сигнал с измерителя 3, в результате чего на выходе третьего сумматора получаем сигнал, характеризующий долю радиального зазора, образованную за счет температурного расширения деталей ротора, поступающий на второй вход блока 18, в котором осуществляется выработка управляющего сигнала K, характеризующего отношение долей расходов воздуха на обдув ротора и статора, необходимых для стабилизации долей радиального зазора, приходящихся на температурные расширения деталей ротора и статора. Значение управляющего сигнала подается на управляемый элемент (например, заслонку) распределителя 14 для дозирования расхода воздуха, подаваемого на ротор 2 и на статор 1 турбины. Дозирование может быть реализовано изменением положения заслонки (не показана) распределителя 14 в зависимости от величины сигнал K.
При использовании системы, кроме технического результата, указанного выше, обеспечивается сокращение времени стабилизации радиального зазора за счет более рационального обдува деталей турбины и, тем самым, дополнительное уменьшение времени приемистости по тяге двигателя, что важно при разгонах самолета.