СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАДИАЛЬНОГО ЗАЗОРА В ТУРБИНЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
ADJUSTMENT METHOD OF RADIAL CLEARANCE IN TURBINE OF GAS-TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области управления авиационными двигателями, в частности к системам активного управления радиальными зазорами турбин газотурбинных двигателей (ГТД).
Известен реализуемый устройством способ управления радиальным зазором турбины ГТД, включающий измерение температуры воздуха на входе в двигатель, измерение частоты вращения ротора высокого давления ротора турбины и давления воздуха на входе в двигатель, формирование по показаниям датчиков температуры воздуха на входе в двигатель и частоты вращения ротора значения приведенной частоты вращения ротора, которое сравнивают с заранее заданным пороговым значением и, если значение приведенной частоты вращения ротора больше порогового значения, подают на первый исполнительный механизм команду на включение подачи воздуха для обдува турбины, причем параллельно сравнивают значение фактической величины давления воздуха на входе в двигатель с заранее заданным пороговым значением и, если давление воздуха на входе в двигатель меньше его порогового значения, на второй исполнительный механизм подают сигнал на включение обдува турбины, причем команда на второй исполнительный механизм на включение обдува подается только при включенном первом исполнительном механизме (см. патент РФ №1540389, кл. F01D 11/08, 1994 г.).
В результате анализа выполнения известного способа необходимо отметить, что он не предполагает при его осуществлении непосредственного контроля величины радиального зазора, а основан 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 реализация данного способа не позволяет обеспечить поддержание радиального зазора с достаточной точностью, так как не учитывает реального его изменения в процессе работы турбины ГТД.
Известен способ регулирования радиального зазора в турбине путем охлаждения ротора и статора турбины, согласно которому измеряют радиальный зазор и в зависимости от его величины производят изменение расхода охлаждающего воздуха для охлаждения ротора и статора турбины, причем изменение расхода воздуха для охлаждения статора турбины осуществляют дискретно (см. опубликованная заявка РФ №2012118142, кл. F03H 99/00, 2013 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что данный способ регулирования не обладает достаточной точностью, так как не учитывает влияние на величину радиального зазора вытяжки лопаток ротора турбины, которая имеет место при работе турбины за счет действия центробежных сил, а также монтажных зазоров в турбине.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности регулирования радиального зазора в турбине ГТД за счет постоянного контроля и поддержания его значения в заданных пределах за счет учета влияния на его значение динамических, монтажных и тепловых факторов, что кроме того позволяет сократить время приемистости ГТД по тяге и улучшить экономичность двигателя на стационарных режимах.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе регулирования радиального зазора в турбине газотурбинного двигателя, включающем измерение радиального зазора, сравнение его значения с заданным и по результатам сравнения регулирование расхода воздуха, подаваемого на ротор и статор турбины для поддержания их заданной температуры, новым является то, что для получения значения заданного радиального зазора предварительно определяют значения центробежной вытяжки лопаток турбины для всех режимов работы турбины, значения радиальных зазоров на стационарных режимах работы турбины, а также значения монтажных зазоров турбины, в процессе работы турбины измеряют частоту вращения ее ротора, для каждого режима работы турбины по частоте вращения ее ротора и предварительно заданным значениям определяют текущее значение центробежной вытяжки лопаток турбины и текущее значение радиального зазора на стационарных режимах, суммируют полученные текущие значения, полученное суммарное значение сигнала суммируют с сигналом значения монтажных зазоров при данном режиме, получая в результате значение заданного радиального зазора, которое сравнивают с измеряемым реальным значением радиального зазора и по значению рассогласования данных сигналов регулируют расход воздуха, подаваемого на ротор и статор турбины, или отсекают его подачу.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы регулирования радиального зазора в турбине ГТД.
Система для осуществления способа регулирования радиального зазора турбины ГТД, содержащей статор 1 и ротор 2, включает измеритель 3 величины радиального зазора (зазора между статором и лопатками турбины ротора), датчик 4 частоты вращения ротора, связанный с блоком 5 вычисления значения центробежной вытяжки лопаток турбины. Система также содержит блок 6 вычисления значений 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 монтажных зазоров. 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 расхода воздуха, выход которого связан с распределителем 14 воздуха, подаваемого на ротор 2 и статор 1 для их обдува с целью охлаждения. Дозирующий элемент регулятора 13 управляется сигналами, подаваемыми со второго сравнивающего устройства 10.
Механическая связь между компрессором 11 и турбиной обозначена позицией 15.
Часть элементов системы может быть реализована на платах бортового компьютера.
Система скомпонована с использование стандартных элементов и блоков.
Так в качестве измерителя зазора может быть использован стандартный датчик.
В качестве блока вычисления центробежной вытяжки рабочих лопаток турбин может быть использован стандартный программный блок или плата бортового компьютера регулятора двигателя, в котором рассчитывается вытяжка рабочих лопаток турбины по формуле:
цБ
цБ
цБ
2
Δδ=к*n, где К - наперед заданная величина, a n - частота вращения ротора турбины.
лрр
лрр
В качестве блока вычисления радиального зазора на стационарных режимах δ может быть использован стандартный процессор, в который заложена заранее вычисленная зависимость δ=f(n).
В качестве сравнивающих устройств может быть использован стандартный элемент сравнения двух величин.
Устройства, обозначенные позициями 8, 12, 13, 14, являются стандартными.
Элементы и устройства по позициям 5, 6, 7, 8, 9, 10 могут быть реализованы на платах бортового компьютера.
Способ посредством раскрытой выше системы осуществляют следующим образом.
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. Данные значения могут быть получены различным образом, например, при испытаниях ГТД.
В сумматор 8 вводят значения монтажных зазоров, имеющих место при сборке турбины.
Во второе 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 приводит во вращение ротор 2 турбины. От компрессора через открытый управляемый клапан 12 воздух через регулятор 13 расхода подается на делитель 14, направляющий потоки воздуха на ротор и на статор 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, а частота вращения ротора 2 постоянно измеряется датчиком 4.
В блоке 5, в зависимости от частоты вращения ротора, определяется текущее значение радиальной вытяжки лопаток турбин.
Параллельно в блоке 6 осуществляется вычисление текущего значения радиального зазора на стационарных режимах работы турбины.
Полученные в блоках 5 и 6 текущие значения радиального зазора подаются на первый сумматор 7, где суммируются и сигнал, полученный в результате суммирования, подается на второй сумматор 8, где суммируется с заранее заложенным в него значением монтажного зазора. В результате во втором сумматоре вырабатывается сигнал, характеризующий текущее расчетное значение зазора, которое учитывает его изменение на стационарных и переходных режимах работы турбины, а также учитывает значения монтажных зазоров.
Полученное текущее расчетное значение зазора сравнивается во втором сумматоре 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 текущего значения радиального зазора от расчетного, которое поступает на регулятор 13, управляя расходом подаваемого на делитель 14 воздуха от компрессора.
Параллельно сигнал со второго сумматора 9 поступает на второе сравнивающее устройство 10, где сравнивается с заранее заложенными параметрами зазора, оптимальными для данного режима работы двигателя. В случае, если реальное значение зазора больше или равно заложенному в сравнивающее устройство 10 значению, то система работает в режиме обдува ротора и статора турбины, поддерживая значение зазора в заданном интервале. 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.
Использование данного способа позволяет повысить точность регулирования радиального зазора турбины ГТД за счет постоянного контроля и поддержания его значения в заданных пределах.