СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR REGULATING FUEL SUPPLY TO GAS TURBINE ENGINE COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к области управления работой газотурбинных двигателей (ГТД), преимущественно, авиационных и может быть использовано для управления подачей топлива в ГТД с многозонной камерой сгорания (КС).
Известен способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, согласно которому формируют суммарный расход топлива в камеру сгорания двигателя для поддержания заданной частоты вращения ротора турбокомпрессора и управляют расходом топлива через, по крайней мере, два дозатора в группы форсунок в зависимости от режима работы двигателя, для первого дозатора задают максимальное и номинальное значение ограничения расхода топлива, а для второго - минимальное, дополнительно измеряют давление за компрессором двигателя, причем при давлении за компрессором ниже заданного порога осуществляют подачу топлива только через первый дозатор, при повышении давления за компрессором выше заданного порога, осуществляют подачу топлива и во второй дозатор с расходом не ниже минимально заданного расхода через второй дозатор, при превышении максимального установленного расхода топлива через первый дозатор, расход топлива ограничивают максимальным значением и повышают расход во второй дозатор на величину разности между текущим значением расхода в первый дозатор и максимальным допустимым значением, после начала подачи топлива во второй дозатор плавно снижают расход в первый дозатор до номинального значения, и, одновременно, увеличивают расход во второй дозатор, при снижении суммарного расхода топлива ниже заданного порога второй дозатор отключают и подачу топлива осуществляют только через первый дозатор (см. патент РФ №2474711, кл. F02C 9/26, 17.08.2011).
В результате анализа данного способа управления необходимо отметить, что в первый коллектор камеры сгорания дозируется постоянный расход топлива, а поддержание заданного значения частоты вращения ротора обеспечивается воздействием на расход во второй коллектор.
Точность поддержания частоты вращения определяется статической и динамической точностью дозирования топлива. Из-за трения в узлах дозаторов их характеристики имеют нелинейности типа «зона нечувствительности» или «гистерезис», которые увеличиваются при износе и загрязнении дозатора по мере выработки ресурса и вносят погрешность дозирования топлива. Абсолютное значение погрешности дозирования пропорционально максимальному расходу топлива через дозатор.
Кратность изменения расхода современных двигателей может достигать 50:
- минимальный расход топлива в КС ГТД (например, на режимах запуска ОКС),
- максимальный расход топлива в КС ГТД (например, на режимах сверхзвукового полета у земли).
Для обеспечения данной кратности предусматривается не менее двух топливных коллекторов, первый из которых дозирует топливо в диапазон изменения расхода до 10% от максимального, второй на 8÷90%. Смещение дозирующего элемента при изменении расхода на 1% на уровне 10% требует в 5 раз большего смещения, чем при том же изменении расхода на уровне 30%, что непосредственно отражается на точности поддержания заданного расхода. Таким образом, погрешность дозирования топлива через второй дозатор в несколько раз хуже, чем через первый.
Погрешность дозирования приводит к нестабильности поддержания частоты вращения, которая может превышать 1% по частоте вращения.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности поддержания частоты вращения ротора.
Указанная цель достигается за счет того, что в способе регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, согласно которому формируют суммарный расход топлива в камеру сгорания двигателя для поддержания заданной частоты вращения ротора турбокомпрессора и управляют расходом топлива через два дозатора в группы форсунок в зависимости от режима работы двигателя, для первого дозатора задают максимальное и номинальное значение ограничения расхода топлива, новым является то, что дополнительно задают минимальное значение ограничения расхода топлива для первого дозатора, расход топлива через первый дозатор формируют как разность суммарного расхода топлива в двигатель и текущего расхода топлива через второй дозатор, расход топлива через первый дозатор ограничивают: снизу - минимальным значением ограничения, сверху - максимальным значением ограничения; расход топлива во второй дозатор формируют как сумму двух величин, первая из которых определяется интегрированием разности расхода топлива через первый дозатор до его ограничения и номинального значения ограничения расхода топлива через первый дозатор, а вторая формируется как разность расхода топлива через первый дозатор до и после его ограничения.
Сущность заявленного изобретения поясняется фигурой, на которой представлена схема системы регулирования подачи топлива в КС ГТД, реализующей заявленный способ.
Система регулирования подачи топлива в КС ГТД (на фигуре не показана) содержит регулятор 1 режима работы двигателя (РРД), формирующий суммарный расход топлива в КС ГТД, подключенную к первому входу первого суммирующего усилителя 2, выход которого подключен к ограничителю 3 минимального и максимального уровня.
Система содержит задатчик 4 номинального ограничения расхода топлива через первый дозатор КС, подключенный к первому входу второго суммирующего усилителя 5, ко второму входу которого подключен выход первого суммирующего усилителя 2. Выход второго суммирующего усилителя 5 подключен к блоку 6 интегрирования, выход которого подключен к первому входу третьего суммирующего усилителя 7 и к второму входу первого суммирующего усилителя 2. К второму и третьему входам третьего суммирующего усилителя 7 подключены выход первого суммирующего усилителя 2 и выход ограничителя 3 соответственно.
Выход ограничителя 3 также подключен к входу первого дозатора 8 топлива в КС ГТД.
Выход третьего суммирующего усилителя 7 подключен к входу второго дозатора 9 топлива в КС ГТД.
Система может быть скомпонована из известных блоков.
В качестве регулятора 1 режимов работы ГТД может быть использован стандартный ПИД-регулятор частоты вращения ротора турбокомпрессора (ТК).
Суммирующие усилители 2, 5, 7 являются стандартными, коэффициенты усиления равны единице, при этом:
второй вход суммирующего усилителя 2 является инвертирующим;
первый вход суммирующего усилителя 5 является инвертирующим;
третий вход суммирующего усилителя 7 является инвертирующим.
Ограничитель 3 минимального и максимального уровня является стандартным, при этом минимальный уровень ограничения выбирается равным минимальному расходу топлива через первый дозатор КС, а максимальный - максимальному расходу топлива через первый дозатор КС.
Задатчик 4 является стандартным задатчиком постоянного значения. Выходного значение задатчика 4 выбирается в середине диапазона между минимальным и максимальным расходами топлива через первый дозатор КС.
Блок интегрирования 6 является стандартным. Постоянная времени интегратора Т выбирается таким образом, чтобы частота среза интегратора была в (3÷5) раз ниже полосы рабочих частот регулятора режимов работы ГТД.
Система работает следующим образом.
На всех режимах работы ГТД регулятором 1 формируется суммарный расход топлива в КС ГТД  для поддержания заданного режима работы.
Суммарный расход топлива  поступает на первый вход первого суммирующего усилителя 2, на второй вход которого поступает значение интеграла блока 6 интегрирования. Сумматор 2 формирует заданный расход топлива через первый дозатор  в КС ГТД. Блок 3 ограничения ограничивает данную величину и формирует расход топлива  который будет отдозирован первым дозатором 8 в КС ГТД.
Второй суммирующий усилитель 5 определяет невязку между номинальным ограничением расхода топлива в первый коллектор КС  формируемым задатчиком 4, и заданным расходом топлива через первый дозатор в КС, формируемым суммирующим усилителем 2. Блок 6 интегрирования интегрирует данную величину и формирует заданный расход топлива через второй дозатор 9  в КС ГТД.
В любой момент времени сумма расходов через дозаторы 8 и 9 должна быть равна суммарному заданному значению расхода. Для выполнения данного требования величина расхода, сформированная блоком интегрирования 6, должна быть скорректирована на величину невязки между заданным расходом  и его фактическим ограниченным значением  Данное действие выполняется на суммирующем усилителе 7.
Таким образом, суммирующий усилитель 7 формирует расход топлива  который будет отдозирован вторым дозатором 9 в КС ГТД.
Система стремится поддержать расход топлива через первый дозатор 8 на уровне, заданным задатчиком 4 номинального ограничения. При постоянном (или медленно меняющемся) суммарном расходе топлива в КС ГТД, формируемом регулятором 1, блок интегрирования 6 будет изменять значение своего интеграла до тех пор, пока  не станет равным  и на выходе суммирующего усилителя 5 не установится значение равное нулю. При этом если ограничитель 3 не вступает в работу, расход через второй дозатор 9 численно равен значению интеграла блока 6. При плавном изменении режима работы ГТД расход через первый дозатор 8 поддерживается в диапазоне между ограничениями установленными блоком 3 и к окончанию переходного процесса устанавливается на уровень, заданный задатчиком 4.
При приемистости двигателя регулятор 1 быстро увеличивает суммарный расход топлива в КС ГТД, при этом блок интегрирования 6 не успевает менять свой сигнал в соответствии с темпом изменения расхода, при этом на суммирующем усилителе 2 формируется величина, превышающая максимальное ограничение блока 3. Заданный расход топлива через первый дозатор будет ограничен блоком 3. Невязка между величинами расходов  (сформированной суммирующим усилителем 2) и  (сформированной блоком 3) поступит в второй дозатор 9 минуя интеграл 6 (через суммирующий усилитель 7). При окончании приемистости суммарный расход топлива, формируемый регулятором 1, перестанет меняться, а интегратор блока 6 продолжит увеличивать свое значение до тех пор, пока расход через первый дозатор 1 не станет равен его номинальному ограничению, формируемого задатчиком 4.
При сбросе режима поведение системы аналогично, за исключением того, что заданный расход топлива через первый дозатор будет ограничением минимальным значением ограничения блока 3.
Система в любой момент времени поддерживает баланс расходов: расход, формируемый регулятором 1, численно равен сумме расходов, отдозированных дозаторами 8 и 9. При этом поддержание заданной частоты вращения на установившихся режимах и при плавном ее изменении обеспечивается изменением расхода топлива через первый дозатор. Дозирование топлива через первый дозатор в ограниченном диапазоне расходов может быть обеспечено с более высокой точностью, чем дозирование той же величины через второй дозатор, что позволяет поддерживать стабильное значение частоты вращения с отклонением от заданного значения не более 0,05%.