СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПОМПАЖЕ НА ЗАПУСКЕ
METHOD TO PROTECT GAS TURBINE ENGINE IN STARTING SURGE

Изобретение относится к области обеспечения надежности защиты компрессора газотурбинного двигателя при неустойчивой работе на режиме запуска.
вд
Известен способ защиты компрессора при помпаже (см. патент США №3267669, кл. 60-39.28, опубликован 23.08.66), в котором при срыве компрессора по команде от преобразователя давления за компрессором управляющий сигнал помпажа подается на пуск части топлива из топливной магистрали в топливный бак, тем самым снижая расход топлива и препятствуя развитию помпажа. Недостатком этого способа является то, что для его реализации требуется специальная дорогостоящая доработка топливной аппаратуры, и в диапазоне 10-40% n изменение давления за компрессором незначительно и недостаточно для управляющего воздействия.
Известен способ защиты компрессора при нарушении устойчивой работы компрессора (Патент РФ №2295654, F04D 27/02, 2007 г.), при котором формируют сигналы на отсечку топлива и/или на механизацию компрессора в зависимости от типа неустойчивости компрессора («вращающийся срыв», либо «помпаж»).
Недостатком известного способа является то, что датчик давления на режиме запуска не может с достаточной точностью измерять величину давления, а при снятии сигнала о неустойчивой работе механизация компрессора дозирование топлива возвращается в исходное состояние, что не гарантирует устойчивой работы компрессора и может возобновить срыв компрессора, тем более на режиме запуска.
Известен способ защиты компрессора при неустойчивой работе компрессора (Патент РФ №2255247, F04D 27/02, 2005 г.), при котором при определении срыва компрессора производится отсечка топлива при условии режима двигателя не менее порогового допустимого. Этот способ не предусматривает парирование неустойчивой работы компрессора на режиме запуска, т.к. работа отсечки топлива ограничена пороговым значением частоты вращения газогенератора.
Известен способ предотвращения неустойчивой работы компрессора ГТД, при котором производят отключение подачи топлива в камеру сгорания и осуществляют включение перепуска воздуха в компрессоре. При повышении давления воздуха за компрессором производят включение подачи топлива в камеру сгорания и восстановление режима (Патент РФ №2310100, F04D 27/02, 2007 г.).
ВД
Недостатком данного способа является привязка алгоритма восстановления к изменению давления за компрессором. Изменение давления за компрессором при срыве на запуске незначительно, использование сигнала уменьшения давления в диапазоне n=10…38% не предполагает надежную работу алгоритма. Этот способ не обладает достаточной надежностью парирования срыва компрессора на начальной стадии запуска газотурбинного двигателя.
T
T
T
T
прог
прог1
прог1
прог
Наиболее близким к заявленному является способ защиты двигателя от перегрева, включающий дозированную подачу топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя (ГТД) по заданной программе с расходом G , формирование сигнала неустойчивой работы компрессора ГТД, прекращение подачи топлива в камеру сгорания двигателя на установленное время и включение агрегата зажигания в течение заданного периода времени для розжига топливовоздушной смеси, возобновление подачи топлива в камеру сгорания со сниженным расходом G , а после снятия сигнала неустойчивой работы последующее восстановление дозированной подачи топлива с увеличением расхода от G  до G  по линейной зависимости в течение заданного времени (Патент РФ №2315885, F02C 9/28, 2008 г.).
В известном способе анализируется абсолютное пороговое значение температуры, что позволяет защищать двигатель от неустойчивой работы и связанного с ней перегрева на высоких режимах работы двигателя. На низких режимах работы (при запуске) температура значительно ниже, поэтому данным способом раннее обнаружение и предупреждение помпажа являются маловероятными.
Техническая задача заключается в повышении надежности защиты компрессора газотурбинного двигателя за счет обнаружения его неустойчивой работы на ранних стадиях режима запуска.
T
T
T
T
тнд
вд
вд
прог
прог1
прог1
прог
Сущность изобретения заключается в том, что в способе защиты газотурбинного двигателя при помпаже на режиме запуска, включающем дозированную подачу топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя по заданной программе с расходом G , формирование сигнала неустойчивой работы компрессора ГТД, прекращение подачи топлива в камеру сгорания двигателя на установленное время и включение агрегата зажигания в течение заданного периода времени для розжига топливовоздушной смеси, согласно изобретению далее осуществляют возобновление подачи топлива в камеру сгорания со сниженным расходом G , а после снятия сигнала неустойчивой работы последующее восстановление дозированной подачи топлива с увеличением расхода от G  до G  по линейной зависимости в течение заданного времени, осуществляют замер текущих значений температуры за турбиной низкого давления T и частоты вращения ротора высокого давления n, вычисляют отношение первых производных указанных значений  сравнивают указанное соотношение с его пороговым значением  и формируют сигнал неустойчивой работы компрессора в случае, если  при этом дополнительно задают программную зависимость  которую поддерживают до момента появления сигнала неустойчивой работы компрессора ГТД, а при включении агрегата зажигания осуществляют корректирование указанной программной зависимости в сторону снижения значения n на 28-32%, причем откорректированную зависимость
поддерживают до завершения режима запуска.
T
вд
прог1
Как показал опыт отладки запуска двигателей ПС-90А, прекращение подачи топлива в камеру сгорания двигателя на установленное время и возобновление подачи топлива со сниженным расходом G  может привести к повторной неустойчивости компрессора. Предотвращение повторения неустойчивости компрессора достигается тем, что при повторном включении агрегата зажигания дополнительно корректируют программную зависимость  в сторону снижения значения n на 28-32% и поддерживают откорректированную зависимость  до завершения запуска.
вд
вд
Снижение значения n на величину <28% нежелательно, поскольку высока вероятность повторной неустойчивости компрессора. При снижении n на величину >32% техническая задача решена не будет, т.к. это приведет к смещению расхода топлива к статической характеристике двигателя и, как следствие, к продолжительному времени запуска или прекращению запуска.
тнд
вд
Заявляемый способ позволяет включать алгоритм защиты двигателя при неустойчивой работе компрессора раньше на 5-7 с по сравнению со способом-прототипом за счет того, что сигнал неустойчивой работы формируется в результате сравнения отношений первых производных текущих значений температуры за турбиной низкого давления и частоты вращения ротора высокого давления (T/n) с пороговым значением этих величин.
На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ.
1
Устройство включает блок 1 вычисления отношения  блок 2 сравнения  с пороговым значением  который при  формирует сигнал I=1 неустойчивой работы компрессора.
2
2
Блок 3 представляет собой таймер, настроенный на время t=0,3-0,4 с. Блок 3 формирует сигнал I=1 и через 0,3-0,4 с снимает сигнал (I=0).
1
2
Блок 4 представляет собой логическое устройство «И», которое формирует сигнал на прекращение подачи топлива в камеру сгорания двигателя при I=1 и I=1.
3
1
2
Блок 5 - логическое устройство «И», формирующее сигнал I=1 на включение агрегата зажигания при I=1 и I=0, т.е. инициирует циклограмму запуска после прекращения подачи (отсечки) топлива на время t=0,3-0,4 с.
T
3
4
T
прог1
прог1
Блок 6 представляет собой устройство, корректирующее программу снижения расхода топлива G . Блок 6 по сигналу I=1 формирует аналоговый сигнал коррекции I, поступающий на блок 7 - умножающее (мультипликативное) устройство, формирующее сниженное (скорректированное) значение величины расхода топлива G  на дозирующую иглу (не показана).
3
Блок 8 по сигналу I=1 формирует откорректированную зависимость  на запуске и подает сигнал в регулятор частоты вращения газогенератора (не показан).
Способ осуществляется следующим образом.
тнд
вд
1
1
1
2
2
2
На блок 1 поступают данные о текущих значениях Т и n, где формируется величина соотношения  информация о которой поступает на первый вход блока 2 сравнения. Одновременно на второй вход блока 2 поступает информация о величине порогового значения  При  формируется сигнал I=1, характеризующий неустойчивую работу компрессора («помпаж»). Сигнал I поступает на первые входы блоков 4 и 5 и вход таймера 3. В момент появления сигнала I=1 таймер 3 начинает отсчет времени t=0,3-0,4 с и формирует управляющий сигнал I=1, поступающий на вторые входы блоков 4, 5. По окончании периода 0,3-0,4 с таймер снимает управляющий сигнал I (I=0).
1
2
3
3
4
4
T
T
4
T
прог
прог
прог1
При I=1 и I=0 блок 5 формирует сигнал I=1 в систему управления на выполнение циклограммы запуска после прекращения отсечки топлива. При этом происходит повторный запуск с коррекцией программы запуска, которую осуществляют блоки 6, 7, 8. Блок 6 по сигналу I=1 формирует аналоговый сигнал коррекции I, изменяющийся со значения 0,9 до 1,0 в течение ~10 с. Аналоговый сигнал коррекции I с выхода блока 6 поступает на первый вход умножающего устройства 7. А на второй вход устройства 7 поступают данные о штатной величине G . Устройство 7 осуществляет умножение значения G  и сигнала коррекции I, формируя скорректированное значение величины расхода топлива G .
3
Одновременно с этим по сигналу I=1 блок 8 осуществляет корректирование программной зависимости  в сторону снижения значения  на 28-32%.
Блок 8 подает сигнал в регулятор частоты вращения газогенератора, который поддерживает откорректированную зависимость  завершения режима запуска.