УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ ЛОПАТОК РЕГУЛИРУЕМОГО НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА

Полезная модель относится к области автоматического регулирования газотурбинных двигателей (ГТД).
Известна струйная система (аналог) управления поворотом лопаток регулируемого направляющего аппарата (РНА) ГТД по степени повышения давления  в компрессоре двигателя. Здесь  - абсолютное давление воздуха на выходе из компрессора двигателя,  - абсолютное давление воздуха на входе в компрессор двигателя (см. Залманзон Л.А. Специализированные аэродинамические системы автоматического управления. М.: Наука, 1978. С. 93-95. Рис. 2.3.а). Система содержит элемент формирования опорного сигнала, служащий для измерения истинного значения отношения давлений ; струйный аналоговый элемент сравнения; струйный аналоговый усилитель; исполнительный орган, управляющий одновременно положением профиля дозирующего элемента регулируемого дросселя и лопатками входного направляющего аппарата компрессора двигателя.
Недостатками этой системы является пониженная точность регулирования при управлении поворотом лопаток РНА ГТД.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является струйная система управления (см. патент US 3682192, кл. F15C 1/14, F15C 1/10, 1972 г.). Устройство (изображено на фиг. 3) содержит регулируемый дроссель, вход которого соединен с выходом компрессора ГТД, а выход с каналом питания датчика отношения абсолютных давлений (ДОАД). Управляющие (входные) каналы струйного усилителя соединены: один - с выходным каналом ДОАД, а второй, как и вентиляционные,  - с входом компрессора ГТД. Выходные каналы струйного усилителя соединены с силовым органом, поршень которого штоком соединен с одной стороны с регулируемыми лопатками направляющего аппарата, а с другой стороны с регулируемым дросселем.
Недостатком прототипа является пониженная точность регулирования положения лопаток регулируемого направляющего аппарата компрессора ГТД.
РНА
К
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является повышение точности работы устройства управления положением лопаток РНА за счет устранения влияния давления окружающей среды на переходную характеристику устройства - зависимость угла установки α лопаток РНА от степени повышения давления π в компрессоре.
Технический результат достигается тем, что в устройство управления положением лопаток РНА компрессора ГТД, которое содержит регулируемый выходной дроссель, соединенный через силовой орган с лопатками РНА, ДОАД с входным соплом подвода высокого давления и каналом подвода низкого давления, струйный усилитель, выходные каналы которого соединены с управляющими полостями силового органа, установлены элемент сравнения (ЭС), содержащий первый и второй управляющие каналы, и входной дроссель, соединенный каналом с компрессором ГТД и образующий вместе с регулируемым выходным дросселем междроссельную камеру (МК), выход которой соединен с соплом питания ЭС и входным соплом подвода высокого давления ДОАД, соединенного выходным каналом с первым управляющим каналом ЭС, а второй управляющий канал ЭС и канал подвода низкого давления ДОАД соединены с полостью на входе в двигатель. Конструкция МК и ДОАД выполнена таким образом, что обеспечивается соотношение:
Д0
МК0
π>π,
где
Д0
МК
ВХ
Д0
ВХ
π - отношение давлений Р/Р, при котором на выходе ДОАД сигнал рассогласования равен «нулю» (Р-Р=0);
МК0
МК
Н
π - отношение давлений Р/Р, при котором в выходном дросселе МК наступает надкритический режим истечения;
МК
Р - давление в МК;
ВХ
Р - давление в полости на входе в двигатель;
Д0
Р - давление в выходном канале ДОАД;
Н
Р - давление окружающей среды.
а
а
а
а
а
а
а
а
a
Регулируемый выходной дроссель МК может быть выполнен в виде плоского золотника (щель по пазу), а ДОАД состоит из входного сопла подвода высокого давления шириной , камеры отбора длиной l=(3÷5), канала за камерой отбора, выполненного шириной в=(1,5÷4), выходного вентиляционного сопла шириной с=(1,2÷2), рабочей полости длиной L=(8÷12), двух соосно установленных вихревых камер радиусом r=(1,5÷2,5). Между центрами вихревых камер расстояние 2е=(4÷10), от центра вихревой камеры до входа в вентиляционное сопло расстояние d=(0÷2), при этом входное сопло подвода высокого давления и канал подвода низкого давления выполнены соосно. ДОАД выполнен на плате толщиной h=(0,5÷5).
Размеры элементов, из которых состоит ДОАД, были подобраны расчетным и экспериментальным путем. Выполнение ДОАД с указанными геометрическими параметрами позволяет получить характеристику
Д0
π≥2,
что в совокупности с выполнением выходного дросселя МК в виде регулируемого плоского золотника обеспечивает надкритический режим истечения из выходного дросселя МК на режимах регулирования лопаток РНА, повышая точность работы устройства.
Отличительными признаками заявленного устройства является установка МК и ЭС, при этом конструкция МК и ДОАД выполнена таким образом, что обеспечивается соотношение:
Д0
МК0
π>π,
где
Д0
МК
ВХ
Д0
ВХ
π - отношение давлений Р/Р, при котором на выходе ДОАД сигнал рассогласования равен «нулю» (Р-Р=0);
МК0
МК
Н
π - отношение давлений Р/Р, при котором в выходном дросселе МК наступает надкритический режим истечения;
МК
Р - давление в МК;
ВХ
Р - давление в полости на входе в двигатель;
Д0
Р - давление в выходном канале ДОАД;
Н
Р - давление окружающей среды.
Н
Совокупность отличительных признаков обеспечивает на режимах регулирования положения лопаток РНА надкритическое истечение через регулируемый выходной дроссель МК, что обеспечивает независимость расхода воздуха через регулируемый выходной дроссель МК от давления Ри таким образом позволяет повысить точность работы устройства управления положением лопаток РНА компрессора ГТД.
Предлагаемое устройство представлено на фиг. 1 и 2 и описано ниже.
На фиг. 1 представлено устройство управления положением лопаток РНА ГТД.
На фиг. 2 представлена схема ДОАД.
Устройство управления положением лопаток РНА ГТД (см. фиг. 1) состоит из МК 1, струйного блока 2 и силового органа 3. МК 1 содержит входной дроссель 4 и регулируемый выходной дроссель 5. Струйный блок 2 состоит из ДОАД 6, содержащего входное сопло 7 подвода высокого давления, канал 8 подвода низкого давления и выходной канал 9, из ЭС 10, имеющего сопло питания 11, первый управляющий канал 12 и второй управляющий канал 13, вентиляционные каналы 14 и выходные каналы 15 и 16, а также из струйного усилителя 17, состоящего из сопла питания 18, управляющих каналов 19 и 20, вентиляционных каналов 21 и выходных каналов 22, 23. Силовой орган 3 выполнен в виде поршневого привода, содержащего пневмоцилиндр 24, поршень 25, выходные штоки 26 и 27, управляющие полости 28 и 29.
С МК 1 ДОАД 6 соединен входным соплом 7 подвода высокого давления, а ЭС 10 - соплом питания 11.
ВХ
Выходной канал 9 ДОАД 6 соединен с первым управляющим каналом 12 ЭС 10, второй управляющий канал 13 которого соединен с вентиляционными каналами 14. Входной канал 8 подвода низкого давления ДОАД 6 и вентиляционные каналы 14 ЭС 10 соединены с полостью на входе в двигатель с давлением Р.
Выходные каналы 15 и 16 ЭС 10 соединены с управляющими каналами 19 и 20 струйного усилителя 17.
Сопло питания 18, как и МК 1, запитано воздухом из компрессора ГТД. Вентиляционные каналы 21 соединены с окружающей средой (с атмосферой), а выходные каналы 22 и 23 соединены с управляющими полостями 28, 29 силового органа 3, в которые подается управляющий перепад давлений, воздействующий на поршень 25, установленный в пневмоцилиндре 24 и перемещающий шток 26, соединенный с регулируемым выходным дросселем 5 МК 1, и шток 27, соединенный с лопатками РНА ГТД.
а
а
а
а
a
а
а -
а
а
ДОАД 6 состоит (см. фиг. 2) из входного сопла 7 подвода высокого давления шириной , камеры отбора длиной l=(3÷5), канала за камерой отбора, выполненного шириной в=(1,5÷4), выходного вентиляционного сопла шириной с=(1,2÷2), рабочей полости длиной L=(8÷12), двух соосно установленных вихревых камер радиусом r=(1,5÷2,5) и канала 8 подвода низкого давления, соединенного с полостью на входе в двигатель. Между центрами вихревых камер расстояние 2е=(4÷10) от центра вихревой камеры до входа в вентиляционное сопло - расстояние d=(0÷2), при этом входное сопло 7 подвода высокого давления и канал 8 подвода низкого давления выполнены соосно. ДОАД выполнен на плате толщиной h=(0,5÷5).
Устройство работает следующим образом.
К
ВХ
В исходном состоянии шток 27 агрегата находится во втянутом положении. Одновременно воздух из компрессора ГТД (на чертеже не показан) под давлением Р поступает в МК 1 и к соплу питания 18 струйного усилителя 17. В МК 1 воздух входит через входной дроссель 4, который выполняет функцию регулировочного винта изменения наклона характеристики РНА. Поступая далее как к ДОАД 6, так и к регулируемому выходному дросселю 5, который выполнен в виде дросселя обратной связи золотникового типа. Воздух из канала 8 подвода низкого давления ДОАД 6 и из вентиляционных каналов 14 ЭС 10 отводится в полость на входе в двигатель с давлением Р.
К
Д0
ВХ
В процессе запуска, пока уровень давления Р не превышает значения нижней границы рабочего участка характеристики, давление Р в первом управляющем канале 12 ЭС 10 и выходном канале 9 ДОАД 6 за счет эжекции в проточной части ДОАД 6 будет меньше, чем во втором управляющем канале 13 ЭС 10, соединенном с полостью с давлением Р.
Д0
ВХ
Отрицательный управляющий перепад (Р-Р), усиливаясь ЭС 10 и струйным усилителем 17, направляется в управляющие полости 28 и 29 пневмоцилиндра 24. При этом уровень давления в полости 29 пневмоцилиндра 24 будет существенно больше, чем в полости 28. Поршень 25 будет находиться на упоре низких режимов (во втянутом положении). При этом щель на пластине будет находиться в начале треугольного паза золотника регулируемого выходного дросселя 5.
К
По мере возрастания режима работы ГТД уровень давления Р увеличивается и при достижении, а затем и превышении значения, соответствующего начальной точке рабочего участка переходной характеристики устройства, произойдет снижение разряжения, а в дальнейшем и образование избыточного давления в выходном канале 9 ДОАД 6. В управляющих каналах 12, 13 ЭС 10 появляется положительный перепад давлений, который затем усиливается струйным усилителем 17.
Д0
ВХ
РНА
К
Соответственно, давление в управляющей полости 28 пневмоцилиндра 24 станет больше, чем в управляющей полости 29, и поршень 25 начнет перемещаться. Движение поршня продолжается до тех пор, пока давление на выходе из ДОАД 6 вследствие изменения (увеличения) площади перепуска воздуха на золотнике регулируемого выходного дросселя 5 и уменьшения давления Р, не установится равным давлению Р. При этом на поршне 25 также установится перепад давлений, равный нулю, свидетельствующий об установке лопаток РНА в заданное (согласно выбранному закону регулирования (α=f(π)) положение.
К
Д0
Д0
МК
ВХ
Д0
Д0
ВХ
При дальнейшем увеличении режима работы двигателя степень повышения давления воздуха π растет, отношение давлений на ДОАД 6 становится больше; π - отношение абсолютных давлений на датчике 6 π=Р/Р, при котором управляющий перепад давлений в управляющих каналах 12, 13 ЭС 10 и в управляющих каналах 19, 20 струйного усилителя 17 увеличится, давление в управляющей полости 28 пневмоцилиндра 24 становится больше, чем в управляющей полости 29. Поршень 25 перемещается, и площадь перепуска воздуха на золотнике регулируемого выходного дросселя 5 увеличивается, уменьшая давление Р. Это будет продолжаться до тех пор, пока отношение давлений на датчике 6 не станет равным π, при котором давление в выходном канале 9 ДОАД 6 станет равным давлению Р, а на поршне 25 пневмоцилиндра 24 установится перепад, равный нулю. Движение поршня прекращается.
К
Д0
Д0
Д0
При снижении режима работы двигателя степень повышения давления π уменьшается, отношение давлений на ДОАД 6 становится меньше π, давление в управляющей полости 28 пневмоцилиндра 24 становится меньше, чем в управляющей полости 29. Поршень 25 будет перемещаться, уменьшая площадь перепуска воздуха на золотнике регулируемого выходного дросселя 5, увеличивая таким образом давление Р до тех пор, пока отношение давлений на ДОАД 6 не станет равным π. При этом перепад на поршне 25 установится равным нулю, движение поршня прекратится.
PHA
К
Такое техническое решение позволяет повысить точность работы устройства управления положением лопаток РНА за счет устранения влияния давления окружающей среды на переходную характеристику устройства α=f(π), что достигается формированием надкритического отношения давлений на регулируемом выходном дросселе МК, вследствие чего расход воздуха через регулируемый выходной дроссель МК перестает зависеть от давления окружающей среды.
ВХ
Проведенный цикл экспериментальных работ подтвердил данный вывод - устраняется разброс характеристик по давлению Р. Таким образом повышается точность регулирования положения лопаток РНА ГТД.