СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ НАПРАВЛЯЮЩИХ АППАРАТОВ КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области управления работой газотурбинных двигателей и может быть использована для регулирования положения направляющих аппаратов компрессора авиационного газотурбинного двигателя (ГТД).
Современные авиационные ГТД, особенно маневренных самолетов, работают практически постоянно на переменных режимах при действии различных внутренних и внешних возмущений, поэтому для обеспечения высоких тяговых характеристик и минимизации удельного расхода топлива требуется поддержание заданной рабочей линии на характеристиках компрессоров. Положение направляющих аппаратов компрессора, используемых в таких ГТД, регулируется различным образом.
к
Так, например, известна система управления ГТД, обеспечивающая регулирование подачи топлива и положения направляющих аппаратов компрессора, содержащая электронный цифровой регулятор, связанный с основным регулятором подачи топлива в камеру сгорания и с резервным регулятором, выходы регуляторов связаны с селектором переключения, который связан с дозатором топлива. Резервный регулятор выполнен в виде гидрозамедлителя, центробежного чувствительного элемента, регулятора отношений давлений (π) перед - и за компрессором, регулятора направляющих аппаратов.
В процессе работы системы регулятор подачи топлива осуществляет управление дозатором по команде электронного цифрового регулятора. При работе резервного регулятора, он осуществляет регулирование подачи топлива и управление механизацией компрессора по заданным внутридвигательным параметрам.
(см. патент РФ на полезную модель №37528, кл. F02C 7/22, 2004 г.).
В результате анализа известной системы управления ГТД необходимо отметить, что она не обеспечивает эффективного регулирования положения направляющих аппаратов, особенно при работе ГТД на переменных режимах. Кроме того, точность регулирования положения направляющих аппаратов при использовании данной системы весьма невысока.
Известна система управления ГТД, содержащая устройство регулирования подачи топлива в основную камеру сгорания, замкнутое с ГТД по частоте вращения ротора через датчик частоты вращения. Устройство регулирования подачи топлива выполнено в виде электронного регулятора, вход которого соединен с датчиком частоты вращения, а выход - с одним из входов выходного устройства, которое соединено с исполнительным механизмом насоса-регулятора.
Система также оснащена контуром регулирования геометрии проточной части двигателя, включающим в себя регулятор положения направляющих аппаратов компрессора с исполнительным механизмом (например, гидроцилиндром). Регулятор замкнут с ГТД через датчик частоты вращения. Исполнительный механизм управления положением направляющих аппаратов компрессора дополнительно связан с датчиком положения направляющих аппаратов, выход которого соединен с блоком коррекции расхода топлива в основную камеру сгорания, выход блока соединен со вторым входом выходного устройства системы регулирования топливопитания основной камеры сгорания.
В процессе работы системы рычагом управления двигателя, через контур топливопитания основной камеры сгорания, выводят ГТД на рабочий режим, при котором совместно работают контуры регулирования топливопитания и управления положением направляющих аппаратов компрессора.
Сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора двигателя, через датчик частоты вращения одновременно поступает на электронный регулятор контура управления топливопитанием и на контур управления направляющими аппаратами компрессора. В электронном регуляторе данный сигнал сравнивается с заданным значением частоты вращения ротора. В зависимости от результатов сравнения, электронный регулятор через выходное устройство выдает команду на исполнительный механизм насоса-регулятора, который соответствующим образом воздействует на дозирующий элемент насоса-регулятора.
Одновременно регулятор направляющих аппаратов также получает на вход сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора двигателя, по которому в соответствии с заданной программой через элемент управления устанавливают новое положение направляющих аппаратов компрессора, которое соответствует заданному режиму работы ГТД.
В процессе работы ГТд, в результате внешних возмущений, возможно отклонение направляющих аппаратов компрессора от заданного положения, которое определяется датчиком положения. Соответствующий сигнал с датчика положения подается на блок коррекции расхода топлива, который выдает сигнал коррекции в контур топливопитания, изменяя тем самым режим подачи топлива в основную камеру сгорания, компенсируя возмущающее воздействие отклонения положения направляющих аппаратов на частоту вращения ротора двигателя.
(см. патент РФ №2007599, кл. F02C 7/26, 1994 г.).
В результате анализа известной системы управления ГТД необходимо отметить, что в ней положение направляющих аппаратов на всех режимах работы задается только частотой вращения ротора, что не обеспечивает при действии возмущений заданного положения рабочей линии на напорной ветке характеристики компрессора и, тем самым, не позволяет сохранить максимальное значение коэффициента полезного действия компрессора и его запасов газодинамической устойчивости.
Приведенные выше системы управления обеспечивают регулирование как расхода топлива в ГТД, так и положения направляющих аппаратов компрессора. Для таких комбинированных систем характерны невысокое быстродействие и недостаточная точность регулирования.
Известно устройство управления положением направляющих аппаратов компрессора ГТД, содержащее исполнительный механизм, регулирующий положение направляющих аппаратов, управляемый регулятором, связанным с выходом элемента сравнения.
Устройство оснащено блоком вычисления приведенного расхода воздуха, первый вход которого соединен с датчиком положения направляющих аппаратов компрессора, второй - с датчиком температуры воздуха на входе в ГТД, а третий - с датчиком давления воздуха на входе в двигатель.
Устройство также содержит первый и второй программные блоки управления расходом воздуха, их выходы связаны с входами сумматора, выход которого связан со вторым входом элемента сравнения.
Вход второго программного блока связан с датчиком температуры воздуха на входе в ГТД, а вход первого программного блока связан с выходом блока вычисления приведенной частоты вращения ротора компрессора, выход которого также связан с четвертым входом блока вычисления приведенного расхода воздуха, а первый вход блока вычисления приведенной частоты вращения ротора компрессора имеет возможность соединения с датчиком частоты вращения ротора компрессора.
Пятый вход блока вычисления приведенного расхода воздуха имеет возможность соединения с датчиком давления воздуха на выходе из компрессора.
Второй вход блока вычисления приведенной частоты вращения ротора компрессора имеет возможность соединения с датчиком температуры воздуха на входе в ГТД. (см. патент РФ на полезную модель №94636, кл. F02C 7/26, 2010 г.) - наиболее близкий аналог.
к
впр
к
впр
В результате анализа данного устройства необходимо отметить, что в нем регулирование положения направляющих аппаратов осуществляется по отношению заданного и текущего расходов воздуха степени сжатия воздуха, что не позволяет осуществлять регулирование положения направляющих аппаратов, в том числе, на переходных режимах, с высокой точностью в широких диапазонах регулирования по частоте вращения ротора компрессора, особенно на повышенных значениях частоты вращения, где напорные ветки π=f(G) характеристики компрессора близки к вертикальным. В данном выражении π - степень сжатия воздуха в компрессоре, G -приведенный расход воздуха через компрессор.
Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка системы управления положением направляющих аппаратов компрессора ГТД, обеспечивающей высокую точность регулирования в широких пределах регулирования за счет сохранения заданного положения рабочей линии на напорных ветках характеристики компрессора, а также сохранение максимального значения коэффициента полезного действия компрессора и его запасов газодинамической устойчивости за счет создания оптимальных условий регулирования положения направляющих аппаратов при пониженных и повышенных частотах вращения ротора компрессора.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в системе управления положением направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя, содержащей исполнительный механизм регулирования положения направляющих аппаратов компрессора, сумматор, блок сравнения, блок формирования фактической приведенной частоты вращения ротора компрессора, новым является то, что система оснащена регулятором отношения давления воздуха за компрессором и давления воздуха на входе в компрессор, регулятором расхода воздуха, пропускаемого через компрессор, блоком формирования заданной приведенной частоты вращения ротора компрессора первым и вторым переключателями, каждый из которых выполнен в виде ключа и управляемого им исполнительного механизма, связанного с выходом блока сравнения, входы которого связаны с блоком формирования заданной приведенной частоты вращения ротора компрессора и блоком формирования фактической приведенной частоты вращения ротора компрессора, входы ключей первого и второго переключателей связаны соответственно с регулятором отношения давления воздуха за компрессором и давления воздуха на входе в компрессор и регулятором расхода воздуха, а их выходы соответственно, с первым и вторым входами сумматора, выход которого связан с исполнительным механизмом.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема заявленной системы.
вх
ф
Система управления положением направляющих аппаратов компрессора ГТД 1 содержит исполнительный механизм 2 регулирования положения направляющих аппаратов. Исполнительный механизм 2 связан с выходом сумматора 3. Первый и второй входы сумматора 3 связаны соответственно с ключами 4 и 5, управляемыми исполнительными механизмами (соответственно, 6 и 7). Ключ и управляющий им исполнительный механизм образуют переключатель. Таким образом, система содержит первый переключатель (переключатель 1 на фиг.), содержащий ключ 4 и исполнительный механизм 6 и второй переключатель (переключатель 2 на фиг.), содержащий ключ 5 и исполнительный механизм 7. Исполнительные механизмы 6 и 7 переключателей управляются от элемента сравнения 8, первый вход которого связан с блоком 9 формирования заданной приведенной частоты вращения ротора компрессора, а второй - с блоком 10 формирования фактической приведенной частоты вращения ротора компрессора, входы которого связаны с датчиками (не показаны) температуры воздуха (T) на входе в двигатель и частоты (т) вращения ротора компрессора.
Ключ 4 связан с выходом регулятора 11 отношения давления воздуха за компрессором и давления воздуха на входе в компрессор, входы которого связаны с датчиками (не показаны) давлений за и перед компрессором.
в
Ключ 5 связан с выходом регулятора 12 расхода воздуха, пропускаемого через компрессор (G) вход которого связан с датчиком (не показан) расхода воздуха.
ф
пр
пр
Все используемые в устройстве блоки и элементы, являются известными и реализуют присущие им функции, их конкретное выполнение не является предметом патентной охраны. Элемент сравнения 8 может быть выполнен различным образом, например, в виде программного блока, реализующего функцию: n≥n°.
В качестве исполнительных механизмов 6 и 7 может быть использована широкая гамма известных электрических, электрогидравлических и гидравлических приводных механизмов. Используемые в системе ключи и датчики являются стандартными.
вх
ф
Блок 10 формирования фактической приведенной частоты вращения ротора компрессора может быть конструктивно реализован различным образом, например, в виде цифрового процессора (контроллера), позволяющего вести обработку поступающих в него сигналов (T и n) по зависимости: .
Регуляторы 11 и 12 конструктивно могут быть реализованы в виде стандартных гидромеханических или цифровых агрегатов.
Устройство управления направляющими аппаратами компрессора ГТД работает следующим образом.
В процессе работы ГТД и функционирования системы управления, положение направляющих аппаратов компрессора ГТД 1 регулируется исполнительным механизмом 2.
к
Регулятор 10 по отношению давлений воздуха за и перед компрессором формирует управляющий сигнал (π) и подает его на ключ 4 первого переключателя.
в
Регулятор 11 по значению расхода воздуха формирует управляющий сигнал (G) и подает его на ключ 5 второго переключателя.
пр
вх
ф
в
в
Параллельно, с блока 9 формирования заданной приведенной частоты вращения ротора компрессора, сформированный постоянный сигнал заданной частоты вращения ротора (n°) поступает на первый вход элемента сравнения 8. На входы блока 10 формирования фактической приведенной частоты вращения ротора с датчиков поступают текущие (фактические) значения температуры воздуха (T) на входе в двигатель и частоты (n) вращения ротора компрессора. В блоке 10 вычисляется фактическая приведенная частота вращения ротора компрессора по зависимости: ., значение которой поступает на второй вход блока 8. В блоке 8 постоянно сравниваются значения данных сигналов. До тех пор, пока фактическое значение приведенной частоты вращения ротора не превышает заданной блоком 9, на исполнительный механизм 7 второго переключателя с блока сравнения 8 поступает сигнал на замыкание ключа 5, а на исполнительный механизм 6 первого переключателя поступает сигнал на размыкание ключа 4. Таким образом, на первый вход сумматора 3 с ключа 4 первого переключателя поступает нулевой сигнал, а на его второй вход с ключа 5 второго переключателя сигнал управления (G) от регулятора 12, в соответствии с которым исполнительный механизм 2 регулирует положение направляющих аппаратов ГТД 1. Таким образом, пока фактическое значение приведенной частоты вращения ротора компрессора не превысило заданной блоком 9, управление направляющими аппаратами осуществляется от регулятора 12 только по сигналу расхода воздуха (G).
к
к
В случае, если значение фактическое значение приведенной частоты вращения ротора, выработанное блоком 10, превышает заданную блоком 9, на исполнительный механизм 6 первого переключателя с блока сравнения 8 поступает сигнал на замыкание ключа 4, а на исполнительный механизм 7 второго переключателя поступает сигнал на размыкание ключа 5. На первый вход сумматора 3 с переключателя 4 поступает сигнал управления (π) от регулятора 11, в соответствии с которым исполнительный механизм 2 регулирует положение направляющих аппаратов ГТД 1, а на исполнительный механизм 7 второго переключателя с блока сравнения 8 поступает сигнал на размыкание ключа. Таким образом, если фактическое значение приведенной частоты вращения ротора превышает заданную блоком 9, управление направляющими аппаратами осуществляется от регулятора 11 только по сигналу степени сжатия воздуха в компрессоре (π).
к
впр
к
впр
Использование данной системы позволяет обеспечить заданное положение рабочей линии на напорных ветках характеристики компрессора и тем самым сохранить максимальное значение коэффициента полезного действия компрессора и его запасов газодинамической устойчивости за счет более точного регулирования по расходу воздуха на пониженной частоте вращения ротора компрессора (где более пологие напорные ветки характеристики компрессора π=f(G)) и более точного регулирования по степени сжатия воздуха в компрессоре на повышенной частоте вращения ротора компрессора (где более вертикальные напорные ветки характеристики компрессора π=f(G)).