СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ФОРСАЖНОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONTROL OF GAS-TURBINE ENGINE WITH AFTERBURNER  AND SYSTEM FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Группа изобретений относится к области авиационного двигателестроения и может быть использована в электронно-гидромеханических системах автоматического управления многорежимными газотурбинными двигателями (ГТД) с форсажной камерой сгорания (ФКС).
Известен способ управления ГТД с ФКС, заключающийся в том, что по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором, положению рычага управления двигателем (РУД) и расходу топлива в основную камеру (ОКС) сгорания управляют расходом топлива в ФКС, причем дополнительно на установившихся форсажных режимах измеряют давление и температуру газов в ФКС, подают возрастающее по частоте пульсирующее воздействие на расход воздуха через двигатель с помощью направляющих аппаратов компрессора (НАК) и створок реактивного сопла (PC) двигателя, в момент увеличения полноты сгорания форсажного топлива, определяемый по скачкообразному росту давления и температуры газов в ФКС, фиксируют частоту пульсирующего воздействия на расход воздуха через двигатель и уменьшают расход форсажного топлива до тех пор, пока температура газов в ФКС не снизится до исходной.
Система для реализации способа содержит последовательно соединенные блок датчиков, задатчик режимов работы двигателя, первый сумматор, первый формирователь управляющего воздействия на привод НАК, последовательно соединенные второй сумматор, второй формирователь управляющего воздействия на привод PC, при этом сумматор подключен к задатчику и формирователю пульсирующего воздействия на расход воздуха через двигатель с помощью НАК, второй вход сумматора подключен к второму формирователю пульсирующего воздействия на расход воздуха через двигатель с помощью PC, управляемые входы формирователей подключены через анализатор к блоку датчиков, а к выходу задатчика подключен формирователь управляющего воздействия на дозатор форсажного топлива. (RU 2386837 C2, F02C 9/00, 20.04.2010) [1].
В результате анализа известных способа и системы необходимо отметить, что после розжига форсажной камеры на установившихся режимах достигается минимальный удельный расход топлива. Однако не решается задача создания оптимальных условий для розжига форсажной камеры сгорания в установившихся и переходных режимах работы двигателя, что ограничивает диапазон режимов работы двигателя, в котором обеспечивается надежный розжиг камеры сгорания.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ управления ГТД с ФКС, заключающийся в том, что в процессе работы двигателя посредством датчиков измеряют параметры работы двигателя, сравнивают их с заданными и по величине рассогласования управляют положением распределительного золотника, управляющего гидроцилиндрами, регулирующими положение створок критического сечения PC двигателя, при запуске двигателя распределительный золотник перемещают в нейтральное положение, на дроссельных режимах работы двигателя определяют приведенную частоту вращения ротора турбокомпрессора и положение гидроцилиндра PC и по результатам сравнения данных сигналов получают управляющий сигнал, в соответствии с которым регулируют положение распределительного золотника для поддержания заданной площади PC, на максимальных бесфорсажных и форсажных режимах, по измеренным значениям давления в двух заданных сечениях двигателя формируют текущее значение отношения давлений в этих сечениях, которое сравнивают с заданным значением, и по величине ошибки, полученной в результате сравнения, формируют заданное значение положения распределительного золотника, а при останове двигателя распределительный золотник перемещают в положение для полного раскрытия PC.
Система для реализации способа содержит задатчик, элемент сравнения, регулятор положения гидроцилиндров PC, последовательно соединенные электрогидравлический преобразователь и распределительный золотник управления гидроцилиндрами PC с датчиком положения гидроцилиндра PC и датчиками двигательных параметров: частоты вращения ротора турбокомпрессора, температуры воздуха на входе в двигатель, давлений в двух сечениях двигателя и датчиком положения РУД. Система также содержит датчик положения распределительного золотника PC, второй и третий задатчик, второй и третий элементы сравнения, усилитель, логический блок, переключатель, делитель, регулятор отношения давлений в двух сечениях двигателя, блок вычисления приведенной частоты вращения ротора турбокомпрессора, первый и второй входы которого связаны с датчиками температуры воздуха на входе в двигатель и частоты вращения ротора турбокомпрессора соответственно, а выход связан с первым задатчиком, выход которого связан с первым входом первого элемента сравнения, второй вход которого связан с датчиком положения гидроцилиндра PC, а выход с регулятором положения гидроцилиндров PC, вход второго задатчика связан с датчиком температуры воздуха на входе в двигатель, а выход связан с первым входом второго элемента сравнения, второй вход которого связан с выходом делителя, а выход связан со входом регулятора отношения давлений в двух сечениях двигателя, со входом третьего задатчика связан второй выход логического блока, при этом выходы третьего задатчика, регулятора положения гидроцилиндров PC, регулятора отношений давлений в двух сечениях двигателя и первый выход логического блока связаны со входами переключателя, выход которого связан с первым входом третьего элемента сравнения, второй вход которого соединен с датчиком положения распределительного золотника, а выход - через усилитель с последовательно соединенными электрогидроусилителем и распределительным золотником, управляющим положением гидроцилиндров PC, при этом входы логического блока соединены с датчиками положения рычага управления двигателем и частоты вращения ротора турбокомпрессора, а входы делителя - с датчиками давления в двух заданных сечениях двигателя. (RU 2466287 C1, F02C 9/28, 10.11.2012) [2].
В результате анализа данных способа и системы необходимо отметить, что при работе ГТД на установившихся и переходных режимах используется единый закон управления, что приводит к раскрытию реактивного сопла во время приемистости и делает затрудненным или невозможным розжиг форсажной камеры двигателя во время приемистости до тех пор, пока частота вращения газогенератора не достигнет близкого к максимальному значения.
Задача изобретения заключается в выборе законов управления контуром реактивного сопла для оптимального согласования режимов работы газогенератора и форсажной камеры сгорания. На переходных режимах работы критерием выбора программ управления может служить обеспечение условий запуска форсажной камеры сгорания, на установившихся - обеспечение заданной линии рабочих режимов компрессоров.
Техническим результатом заявленной группы изобретений является повышение качества управления ГТД с ФКС за счет обеспечения оптимальных условий для розжига форсажной камеры за счет расширения области устойчивого розжига ФКС посредством реализации оптимальных программ управления отношением давлений в заданных сечениях двигателя на переходных и установившихся режимах работы, а также за счет более точного ограничения максимально допустимой температуры газов перед сопловыми аппаратами турбины, а также за счет повышения полноты сгорания топлива.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, заключающемся в том, что по измеренным значениям давления в двух заданных сечениях двигателя формируют текущее значение отношения давлений в этих сечениях, которое сравнивают с заданным значением, и по величине ошибки, полученной в результате сравнения, формируют заданное значение положения распределительного золотника, управляющего гидроцилиндрами, регулирующими положение створок критического сечения реактивного сопла двигателя, новым является то, что на переходных режимах работы ГТД заданное значение отношения давлений в заданных сечениях двигателя формируют в зависимости от приведенной частоты вращения ротора компрессора низкого давления и корректируют в зависимости от ускорения ротора компрессора высокого давления, а на установившихся режимах работы ГТД заданное значение отношения давлений в заданных сечениях двигателя формируют в зависимости от температуры воздуха на входе в двигатель.
В системе управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, включающая первый, второй, третий задатчики, первый, второй и третий суммирующие усилители, регулятор отношения давлений в заданных сечениях двигателя, переключатель, с первым входом которого связан первый задатчик, а со вторым его входом выход первого суммирующего усилителя, с первым входом которого связан выход второго задатчика, выход второго суммирующего усилителя связан с регулятором, выход которого подключен к первому входу третьего суммирующего усилителя, связанного с электрогидроусилителем, управляющим распределительным золотником, управляющим положением гидроцилиндров реактивного сопла, причем положение золотника отслеживается датчиком, связанным со вторым входом третьего суммирующего усилителя, при этом система содержит делитель, блок формирования приведенной частоты вращения ротора низкого давления, датчик положения рычага управления двигателем, а также датчики давления в двух заданных сечениях двигателя, датчик температуры воздуха на входе в двигатель, причем выходы датчиков давления соединены с входами делителя, выход которого связан со вторым входом второго суммирующего усилителя, новым является то, что система снабжена датчиками частот вращения роторов низкого и высокого давления, пороговым устройством, элементом сравнения, выход которого подключен к пороговому устройству, управляющему переключателем, а также блоком дифференцирования, датчик температуры воздуха на входе в двигатель связан с первым задатчиком и первым входом блока формирования приведенной частоты вращения ротора низкого давления, со вторым входом которого связан датчик частоты вращения ротора низкого давления, выход блока формирования приведенной частоты вращения ротора низкого давления связан с входом второго задатчика, в качестве первого задатчика используют задатчик формирования первого заданного значения отношения давлений в заданных сечениях двигателя, в качестве второго - задатчик формирования второго заданного значения отношения давлений в заданных сечениях двигателя, в качестве третьего - задатчик формирования заданной частоты вращения ротора высокого давления, первый вход третьего задатчика подключен к датчику температуры воздуха на входе в двигатель, второй вход - к датчику положения рычага управления двигателем, выход третьего задатчика подключен к первому входу элемента сравнения, ко второму входу которого подключен датчик частоты вращения ротора высокого давления, вход блока дифференцирования связан с датчиком частоты вращения ротора высокого давления, а выход - со вторым входом первого суммирующего усилителя, выход переключателя связан с первым входом второго суммирующего усилителя.
Сущность заявленной группы изобретений поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема системы управления ГТД с ФКС.
Система содержит первый и второй задатчики, первый из которых - задатчик 1 - задатчик формирования первого заданного значения отношения давлений в заданных сечениях двигателя, а второй - задатчик 2 формирования второго заданного значения отношения давлений в заданных сечения двигателя. Выход второго задатчика подключен к первому входу первого суммирующего усилителя 3. Выход первого задатчика 1 подключен к первому входу переключателя 4, а выход первого суммирующего усилителя 3 - к его второму входу.
Переключатель 4 выходом подключен к первому входу второго суммирующего усилителя 5, выход которого связан с входом регулятора 6 отношения давлений в заданных сечениях двигателя, который подключен к первому входу третьего суммирующего усилителя 7, через электрогидроусилитель 8, связанный с распределительным золотником 9, управляющий положением гидроцилиндров 10 PC ГТД 11.
Положение распределительного золотника 9 отслеживается датчиком 12 положения, который подключен ко второму входу третьего суммирующего усилителя 7.
Система также содержит третий задатчик 13 формирования заданной частоты вращения ротора высокого давления (ВД), выход которого связан с первым входом элемента сравнения 14, выход которого подключен к пороговому устройству 15, управляющему переключателем 4.
Система оснащена блоком 16 формирования приведенной частоты вращения ротора низкого давления (НД), который подключен к входу второго задатчика 2.
Значения параметров в процессе работы ГТД отслеживаются датчиками, условно представленными на графических материалах в виде блока 17.
Для управления в системе используются показания следующих датчиков: давления в двух заданных сечениях ГТД, например, за компрессором - (Рк) и за турбиной - (Рт); частот вращения роторов НД и ВД - (n1 и n2 соответственно); температуры воздуха на входе в ГТД - (Твх), положения РУД. РУД обозначен позицией 18.
Выходы датчиков (Рк) и (Рт) соединены с входами делителя 19, выход которого связан со вторым входом второго суммирующего усилителя 5.
Выход датчика (Твх) связан с входом первого задатчика 1 и первым входом третьего задатчика 13, со вторым входом которого связан датчик положения РУД 18. Выход датчика (Твх) также связан с первым входом блока 16, со вторым входом которого связан датчик частоты вращения ротора НД (n1).
Выход датчика частоты вращения ротора ВД (n2) подключен ко второму входу элемента сравнения 14 и блоку 20 дифференцирования, выход которого подключен ко второму входу первого суммирующего усилителя 3.
Заданные сечения двигателя выбираются исходя из решения задачи управления: обеспечение заданного режима работы компрессоров двигателя при изменении расхода топлива в форсажную камеру сгорания. Задача может решаться путем регулирования степени расширения газов на турбине, в этом случае первый датчик давления измеряет давление за компрессором, второй - за турбиной. Возможно решение задачи путем поддержания степени сжатия компрессора, в этом случае один датчик изменяет давление на входе в двигатель, второй - за компрессором.
В данном изобретении будет рассмотрено устройство, решающую задачу путем регулирования степени расширения газов на турбине.
Заявленная система может быть скомпонована из известных блоков и элементов.
Суммирующие усилители (3, 5, 7), элемент сравнения (14), делитель (19), пороговое устройство (15) и блок дифференцирования (20) являются стандартными.
Пороговое устройство (15) выбрано таким образом, что при входном сигнале, большем и равным порогу срабатывания, устройство 15 формирует на своем выходе сигнал логической единицы, а при сигнале меньше порога - логического нуля.
Переключатель (4) может быть выполнен на базе стандартных элементов, например в виде двух параллельно соединенных управляемых ключей, одного нормально закрытого, другого нормально открытого. При поступлении сигнала логического нуля на управляющий вход переключатель подключает к своему выходу свой первый вход, при поступлении сигнала логической единицы - второй вход.
В качестве первого 1, второго 2 и третьего 13 задатчиков, а также блока 16 формирования приведенной частоты вращения могут быть использованы известные матричные устройства реализации произвольных функциональных зависимостей.
В качестве регулятора 6 может быть использован пропорциональный регулятор.
В качестве датчиков блока 17, а также датчика 12 положения распределительного золотника могут быть использованы стандартные датчики контроля параметров работы ГТД, например индуктивные датчики частоты вращения, термоэлектрические и терморезистивные датчики температуры, резистивные или емкостные датчики давлений, стандартные линейные дифференциальные трансформаторы для измерения линейных или угловых перемещений.
Заявленный способ посредством раскрытой выше системы осуществляется следующим образом.
Рассмотрим работу системы на установившихся и переходных форсажных режимах работы ГТД.
Тзад1
В процессе работы системы задатчик 1 формирования первого заданного значения отношения давлений в заданных сечениях двигателя по показаниям датчика температуры воздуха на входе в ГТД (Твх), по известной зависимости формирует первое заданное значение отношения давлений в заданных сечениях двигателя, например, степени расширения газа на турбине НД (ТНД): π=f(Твх).
Блок 16 формирования приведенной частоты вращения ротора компрессора (НД) ГТД по показаниям датчика температуры воздуха на входе в двигатель (Твх) и частоты вращения ротора компрессора НД (n1) формирует приведенную частоту вращения ротора НД по зависимости
Tзад2
Задатчик 2 формирования второго заданного значения отношения давлений в заданных сечениях двигателя по показаниям блока 16 формирования приведенной частоты вращения формирует по известной зависимости второе заданное отношение давлений в заданных сечениях двигателя, например, степени расширения газа на ТНД: π=f(n1пр).
Блок 20 по показаниям датчика n2 частоты вращения ротора ВД вычисляет ускорение ротора ВД. На первом суммирующем усилителе 3 второе заданное значение степени расширения газа на ТНД суммируется с отмасштабированным значением ускорения ротора компрессора ВД.
Первое заданное значение степени расширения газа на ТНД и второе заданное значение степени расширения газа на ТНД, скорректированное с учетом ускорения ротора ВД, поступают на первый и второй входы переключателя 4 соответственно.
Переключатель 4 в зависимости от состояния порогового устройства 15 подключает к первому входу второго суммирующего усилителя 5 или сигнал, сформированный первым задатчиком 1, или сигнал, сформированный цепью задатчик 2 - суммирующий усилитель 3.
Делитель 19 по показаниям датчиков давлений в заданных сечениях ГТД, например, за компрессором ВД (Рк) и за ТНД (Рт), формирует текущее отношение давлений, например степень расширения газа на ТНД.
Второй суммирующий усилитель 5 формирует рассогласование заданного и текущего значения степени расширения газа за ТНД, которое поступает в регулятор 6 отношения давлений в заданных сечениях двигателя. Регулятор 6 формирует заданное значение положения распределительного золотника и посредством третьего суммирующего усилителя 7, ЭГУ 8 и датчика 12 положения распределительного золотника позиционирует распределительный золотник 9 в заданное положение. Смещение распределительного золотника 9 приводит к перемещению штока гидроцилиндра 10 PC и изменению площади PC, а, следовательно, и давления за ТНД.
Параллельно третий задатчик 13 формирования заданной частоты вращения ротора компрессора ВД по показаниям датчиков температуры воздуха на входе в двигатель (Твх) и положения РУД 18 формирует заданную частоту вращения ротора компрессора ВД, согласно которой регуляторы основного контура (не показаны) управляют расходом топлива в ОКС ГТД. Сформированное значение заданной частоты вращения ротора компрессора ВД поступает на элемент сравнения 14, который, сравнивая ее с текущей частотой вращения ротора компрессора ВД, полученной от датчика частоты вращения ротора компрессора ВД, формирует сигнал рассогласования заданной и текущей частоты вращения ротора компрессора ВД.
Сигнал рассогласования заданной и текущей частоты вращения ротора компрессора ВД поступает на пороговое устройство 15, управляющее переключателем 4. Порог срабатывания порогового устройства может выбираться из требований к регуляторам основного контура, например, на 100% выше допустимого отклонения частоты вращения ротора компрессора ВД от заданного значения на установившемся режиме работы.
На установившемся режиме работы ГТД заданная частота вращения ротора компрессора ВД совпадает с текущей и, согласно настройке порогового устройства 15 и переключателя 4 к первому входу второго суммирующего элемента 5 подключается выход первого задатчика 1. На переходном режиме работы ГТД заданная частота вращения существенно отличается от текущей и к первому входу второго суммирующего усилителя 5 подключается цепь: второй задатчик 2 - первый суммирующий усилитель 3. При выходе ГТД на установившийся режим, рассогласование заданной и текущей частоты вращения уменьшается и по достижении порога настройки порогового устройства 15 происходит обратное переключение переключателя 4 в исходное состояние.
Таким образом, на уставившемся режиме работы ГТД управление площадью PC происходит по закону, заложенному в первый задатчик, а на переходном режиме - по закону второго задатчика.
Дополнительно следует отметить, что на переходных режимах работы ГТД избытки топлива существенно влияют на степень расширения газов на ТНД. Избытки топлива определяют ускорение ротора компрессора ВД, поэтому необходимо использовать сигнал ускорения ротора компрессора ВД для учета влияния избытков. Для коррекции введена цепь дифференцирующее устройство 20 - первый суммирующий усилитель 3.
Группа изобретений позволяет выбрать оптимальные законы управления площадью PC раздельно для переходных и установившихся режимов работы ГТД, что приводит к повышению качества управления ГТД на всех форсажных режимах работы, в частности повышается полнота сгорания топлива в ФКС, оптимизируются условия розжига ФКС.