Способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания
METHOD FOR CONTROLLING A GAS TURBINE ENGINE WITH AN AFTERBURNER

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах автоматического управления многорежимными газотурбинными двигателями (ГТД) с форсажной камерой сгорания (ФК).
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, включающий заполнение дозированным топливом как минимум одного топливного коллектора камеры сгорания и подачу через его форсунки топлива в камеру сгорания двигателя, при этом в процессе работы двигателя в емкости подготавливают порцию топлива, достаточную для заполнения вводимого в работу как минимум одного коллектора, перед введением в работу которого заполняют данный коллектор подготовленной порцией топлива, после чего подают в него дозированное топливо (RU 2568015 С1, МПК F02C 9/26, опубл. 2014).
В результате анализа известного способа необходимо отметить следующее. Практически достаточно трудно учесть объемы трубопроводов подвода топлива к топливным коллекторам ФК, в зависимости от экземпляра двигателя их объем может меняться на 10% и более. Также в процессе включения в работу и отключения коллекторов, что характерно для форсажной камеры сгорания, частично заполненными могут остаться как непосредственно коллекторы ФК, так и подводящие трубопроводы. При подаче заранее подготовленного объема топлива его может оказаться больше чем нужно для заполнения коллектора, оно попадет в камеру сгорания, загорится и вызовет возмущение в газовоздушном тракте. При работе в условиях пониженного атмосферного давления на высоте данный объем загоревшегося топлива может привести к помпажу двигателя.
С другой стороны, подача недозированного топлива требует усложнения конструкции топливного тракта, установку специальных емкостей, запорных клапанов и прочее, что повышает массу двигателя и снижает его надежность.
Основным фактором, который определяет минимальное время форсажной приемистости, является ограниченный запас газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора. Включение в работу каждого из коллекторов форсажной камеры создает возмущение по степени сжатия компрессора, величина которого определяется отношением расхода топлива через коллектор в момент его воспламенения к массовому расходу воздуха через двигатель. Во всех условиях работы двигателя это отношение должно быть ограничено исходя из располагаемого запаса ГДУ компрессора. Параметром, который с достаточной точностью характеризует массовый расход воздуха, является давление за компрессором. При высоком давлении за компрессором коллекторы форсажной камеры могут включаться в работу при относительно высоком расходе топлива. При полете в высотных условиях необходимо снижать расход топлива пропорционально давлению за компрессором.
Быстрое изменение расхода топлива через включенные в работу коллекторы также создает возмущение по степени сжатия компрессора. Величина возмущения пропорциональна отношению скорости изменения расхода форсажного топлива к давлению воздуха за компрессором. Это возмущение должно парироваться увеличением площади критического сечения реактивного сопла. Максимальная скорость изменения отношения расхода форсажного топлива к давлению за компрессором определяется максимальной скоростью изменения площади реактивного сопла. Как следствие, для достижения минимального времени приемистости во всех условиях полета скорость изменения расхода форсажного топлива необходимо изменять пропорционально давлению за компрессором.
Задачей изобретения является упрощение конструкции и снижение массы двигателя.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности работы ГТД на режимах включения в работу топливных коллекторов ФК во всей области эксплуатации двигателя за счет оптимального изменения расхода топлива, дозируемого в коллектор.
ном
зап
зап
зап
т
зап
зап
т
ном
ном
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, оснащенной по меньшей мере двумя топливными коллекторами, по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором, положению рычага управления двигателем рассчитывают номинальный расход G топлива для каждого коллектора форсажной камеры сгорания и подают топливо в коллекторы, заранее выбирают для каждого коллектора расход G заполнения топливом, в процессе работы двигателя для каждого из коллекторов рассчитывают время τ заполнения коллектора в зависимости от его расхода G заполнения топливом, заранее определяют темп dG/dt изменения расхода топлива, в течение времени τ заполнения коллектора дозируют в коллектор выбранный расход G заполнения топливом, затем изменяют расход в коллектор с определенным темпом dG/dt до величины соответствующего номинального расхода G и дозируют номинальный расход G топлива в коллектор.
Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение.
зап
В процессе работы двигателя изменяют расход G заполнения топливом каждого коллектора пропорционально давлению воздуха за компрессором.
т
В процессе работы двигателя изменяют темп dG/dt изменения расхода топлива пропорционально давлению воздуха за компрессором.
зап
Расход G заполнения топливом для каждого коллектора рассчитывают до момента его включения в работу.
зап
зап
При форсажной приемистости последовательно включают в работу следующий топливный коллектор по истечении заранее выбранного в пределах от ½⋅τ до τ времени с момента включения в работу предыдущего коллектора.
Заявленное изобретение поясняется следующим подробным описанием его осуществления со ссылкой на графические материалы, на которых представлены:
на фиг. 1 - схема системы управления ГТД;
на фиг. 2 - циклограмма дозирования топлива в коллектор ФК;
на фиг. 3 - циклограмма последовательного включения коллекторов ФК, потенциально приводящего к помпажу двигателя;
на фиг. 4 - циклограмма последовательного включения коллекторов ФК, приводящего к потерям времени набора тяги;
на фиг. 5 - циклограмма последовательного включения коллекторов ФК, близкого к оптимальному.
Система управления (фиг. 1) для реализации заявленного способа содержит рычаг 1 управления двигателем (РУД) для управления режимами работы двигателя, блок 2 датчиков измерения параметров работы двигателя, электронный цифровой регулятор 3 и по меньшей мере два дозатора (№1 и №2), обозначенных на схеме позициями 4 и 5, каждый из которых дозирует топливо в один из коллекторов ФК 6 ГТД 7 (коллектор №1 и №2 соответственно, на схеме не показаны).
РУД
Блок 2 датчиков включает датчик положения α РУД 1, датчик температуры Твх воздуха на входе в двигатель, датчик давления Рк воздуха за компрессором ГТД 7. Блок 2 датчиков может дополнительно содержать другие датчики, необходимые для управления ГТД 7.
Электронный цифровой регулятор 3 (ЭР) формирует расходы топлива через дозаторы ФК 6 ГТД 7. Количество дозаторов в системе обычно соответствует количеству коллекторов ФК 6 и может достигать пяти. Для упрощения описания примем, что ФК 6 содержит 2 коллектора и соответственно 2 дозатора. Режим минимального форсирования соответствует одному подключенному коллектору, а режим полного форсирования - двум.
Способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания осуществляется следующим образом.
1
2
зап1
зап2
Расчетным путем, используя известные объемы V, V коллекторов и с учетом запасов ГДУ компрессора для каждого из коллекторов ФК 6 выбираются расходы G, G заполнения топливом. Величины расходов могут быть уточнены на этапе испытаний опытных образцов двигателя.
зап1;
зап2
В процессе работы ГТД 7 ЭР 3 по заложенным в его память объемам коллекторов и расходам заполнения рассчитывает время τ τ заполнения каждого коллектора, например по зависимостям:
зап1
зап1
1
τ=G/V;
зап2
зап2
2
τ=G/V;
Расчетным путем, используя данные по располагаемой скорости изменения критического сечения реактивного сопла и требованиям по времени форсажной приемистости, определяется темп dGт/dt изменения расхода топлива в ФК 6.
ном1
ном2
Электронный регулятор 3 по известным зависимостям формирует номинальные расходы G, G топлива через дозаторы 4, 5 в каждый коллектор ФК 6:
ном1
руд
G=f(α, Твх, Рк);
ном2
руд
G=f(α, Твх, Рк).
зап1
зап1
зап1
ном1
При переводе РУД 1 в форсажную область, например на режим минимального форсирования, ЭР 3 формирует команду на включение дозатора №1 и на время τ подает через него расход G заполнения топливом в коллектор №1. Через время τ ЭР 3 увеличивает с темпом dGт/dt расход через дозатор №1 до расхода G. Таким образом, ЭР 3 реализует циклограмму, представленную на фиг. 2, и реализует способ управления согласно п. 1 формулы изобретения. На фиг. 2 обозначены:
зап
G - расход заполнения, характеризующий расход топлива через коллектор на режиме заполнения,
ном
_
G номинальный расход, характеризующий расход топлива через коллектор на основном режиме дозирования,
зап
τ - время заполнения коллектора.
зап1
зап2
При подъеме на высоту расход воздуха через двигатель падает. Это приводит к тому, что тот же самый воспламеняющийся при окончании заполнения коллектора расход топлива вызывает большее возмущение в газовоздушном тракте. Необходимо уменьшать расход заполнения, например, сохраняя его приведенное значение постоянным и, соответственно, пропорционально увеличивать время заполнения. Так, при падении расхода воздуха через газогенератор в 2 раза (например, при полете на высоте 7 км и числе Маха М, равным 0.5 в стандартной атмосфере), давление воздуха за компрессором на максимальном и форсированных режимах также уменьшится в 2 раза относительно нормальных условий. Необходимо уменьшить расход G, G заполнения в 2 раза, сохранив его приведенное значение. При этом ЭР 3 согласно логике работы, описанной выше, пропорционально увеличит время заполнения коллектора. Такой способ управления реализуется п. 2 формулы изобретения.
Для сохранения постоянным приведенного к условиям работы двигателя темпа изменения расхода топлива в ФК 6 с падением расхода воздуха через двигатель необходимо также снижать темп dGт/dt изменения расхода, что реализуется ЭР 3 согласно п. 3 формулы изобретения.
Для упрощения логики работы ЭР 3 целесообразно рассчитывать расход заполнения и время заполнения однократно в момент подключения коллектора в работу и не менять их в процессе заполнения коллектора. Такой способ управления реализуется п. 4 формулы изобретения.
На режимах форсажной приемистости, когда требуется включение в работу нескольких коллекторов ФК 6, производить их подключение необходимо последовательно. Ограничением на выбор момента подключения коллектора является: с одной стороны - перекрытие возможных областей вспышки коллекторов (при подключении коллекторов друг за другом со слишком малой паузой, см. фиг. 3) и их одновременная вспышка, которая приведет к помпажу двигателя, с другой - потеря времени набора тяги (см. фиг. 4).
Пример близкого к оптимальному процессу последовательного подключения коллекторов ФК 6 показан на фиг. 5.
На фиг. 3, 4, 5 обозначены:
1
G - расход топлива через дозатор №1,
2
G - расход топлива через дозатор №2,
потери
τ - потери времени набора тяги.
Серым выделены области окончания процессов заполнения коллекторов и возгорания топлива.
зап
зап
Время, через которое необходимо включать в работу следующий топливный коллектор с момента включения предыдущего выбирается заранее расчетно-экспериментальным путем и лежит в пределах от ½⋅τ до τ.
Такой способ последовательного включения коллекторов ФК реализуется 5 пунктом формулы.
Таким образом, предлагаемый способ управления повышает надежность работы ГТД 7 на режимах включения в работу топливных коллекторов ФК 6, снижает массу двигателя, а также в частных случаях реализации сокращает время форсажной приемистости двигателя за счет изменения темпа расхода топлива пропорционально давлению за компрессором.