СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ МНОГОКРАТНЫХ ПОМПАЖЕЙ КОМПРЕССОРА
METHOD FOR PROTECTING A GAS TURBINE ENGINE FROM MULTIPLE COMPRESSOR SURGINGS

Изобретение относится к области обеспечения безопасности полета самолета с газотурбинным двигателем (ГТД) путем прекращения многократных помпажей компрессора, характеризуемых сильными низкочастотными колебаниями параметров потока в проточной части и вибрациями элементов двигателя.
Известны способы защиты компрессора газотурбинного двигателя от помпажа, в которых контролируемыми параметрами могут служить: давление воздуха за компрессором Рк, температура газов Тг, частоты вращения роторов высокого nвд и низкого давлений nнд; другие внутридвигательные параметры (Патент RU 2472974, МПК F04D 27/02, публ. 20.01.2013 г.; Патент RU 2351807, МПК F04D 27/02, публ. 10.04.2009 г.; Патент RU 2527850, МПК F04D 27/02, публ. 10.09.2014 г.; Патент RU 2374143, МПК B64D 31/00, публ. 27.11.2009 г.; Патент RU 2187711, МПК G01M 15/00, публ. 20.08.2002 г.; Патент RU 2098668, МПК F04D 27/02, публ. 10.12.1997 г.; Патент US № 5379583, F02C 9/20, публ. 10.01.1995 г; Патент US 5375412, F02C 9/16, публ. 27.12.1994 г.).
В известных способах защиты от помпажа используется принцип измерения контролируемых параметров и/или их производных, последующего сравнения их фактических величин с соответствующими величинами предельно допустимых (пороговых) значений. При превышении фактических величин над соответствующими допустимыми формируется сигнал критической ситуации, свидетельствующий о потере газодинамической устойчивости потока - сигнал «Помпаж». При наличии сигнала «Помпаж» в автоматическом режиме выполняется открытие клапанов перепуска воздуха из компрессора и/или кратковременное прекращение подачи топлива в камеру сгорания, что, как правило, позволяет восстановить газодинамическую устойчивость работы компрессора. После устранения неустойчивого режима работы сигнал «Помпаж» снимается (не формируется), далее возобновляют подачу топлива в камеру сгорания двигателя и закрытие клапанов перепуска воздуха по заданной программе управления, тем самым обеспечивается восстановление тяги двигателя до помпажа его компрессора.
Недостатком рассмотренных аналогов является возможность ложного срабатывания противопомпажной системы на максимальном режиме работы двигателя при взлете самолета, например, из-за существенных ошибок в измерении параметров двигателя, по которым идентифицируется помпаж. Такие ошибки в измерениях могут возникнуть вследствие отказа датчика параметра двигателя, переменного контакта в электропроводке датчика, иных отказов устройств обработки выходных сигналов датчиков. Ложное срабатывание противопомпажной системы неизбежно приводит к существенной потере тяги двигателя, усложнению условий пилотирования, что особенно недопустимо при взлете самолета.
Для повышения надежности и исключения ложных срабатываний противопомпажной системы при диагностике помпажа известен комплекс внутридвигательных параметров (патент RU 2041399, МПК F04D 27/02, публ. 09.08.1995), но это неизбежно приводит к снижению быстродействия системы из-за существенного различия динамических свойств сигналов, а также повышению ее стоимости и трудоемкости обслуживания из-за увеличения количества применяемых датчиков для определения помпажа.
порог
порог
порог
порог
порог
порог
порог
Наиболее близким к заявляемому и принятому за прототип, является способ защиты компрессора от помпажа (Патент RU 2255247, МПК F04D 27/02, публ. 27.06.2005 г), включающий измерение давления воздуха за компрессором Рк, определение скорости изменения давления ΔРк/Δτ, сравнение ее с пороговым значением (ΔРк/Δτ), формирование сигнала «Помпаж» при ΔРк/Δτ≥(ΔРк/Δτ), измерение частоты вращения ротора высокого давления nвд и сравнение с его пороговым значением nвд, характеризующим взлетный режим, и в случае, если nвд<nвд и наличии сигнала «Помпаж» осуществляют кратковременное отключение подачи топлива в камеру сгорания и включение перепуска воздуха из компрессора; при этом в случае, если nвд≥nвд и сигнал «Помпаж» присутствует, то блокируют сигнал на отключение подачи топлива в камеру сгорания и сигнал на открытие перепуска воздуха из компрессора. Параметр nвд, характеризующий взлетный режим, препятствует снижению режима работы двигателя ниже заданного nвд (блокировка взлетного режима).
порог
Таким образом для условий взлетного режима при наличии сигнала «Помпаж» и отсутствии реального снижения частоты вращения nвд ниже nвд, сигнал «Помпаж» оценивается как ложный и отсечку топлива в камеру сгорания двигателя не производят.
Способ защиты двигателя от помпажа, выбранный за прототип, использовался в составе электронной цифровой системы автоматического управления авиационного двухконтурного двигателя. За время эксплуатации газотурбинного двигателя не было зафиксировано ни одного случая ложного срабатывания противопомпажной системы, приводящим к снижению режима работы двигателя, включая взлетный режим. Также на основании статистических данных о срабатывании противопомпажной системы газотурбинного двигателя установлено, что при попадании птицы на вход в двигатель, молнии или кратковременном порыве бокового ветра сверх нормы при посадке или разбеге, противопомпажная система устраняет помпаж и восстанавливает режим. Во всех вышеперечисленных случаях в подавляющем числе случаев наблюдалось однократное или в меньшей степени двукратное срабатывание противопомпажной системы.
Однако при наличии таких постоянно-действующих факторов как поломка лопаток компрессора высокого давления, отказ топливорегулирующей аппаратуры, наблюдается длительный помпаж, вызывающий срабатывание противопомпажной системы три и более раз за время Δτ=5… 10 секунд. Подобная ситуация приводит к нежелательным силовым нагрузкам на двигатель, может способствовать дополнительным поломкам лопаток компрессора и других элементов двигателя. Вышеуказанный недостаток может быть присущ различным типам газотурбинных двигателей, оснащенных системой защиты от помпажа, предусматривающей автоматическое восстановление режима.
Таким образом, если после многократных помпажей компрессора за определенный (короткий) интервал времени двигатель из помпажа не выходит, то его необходимо выключать.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении безопасности полета за счет автоматического выключения двигателя при многократных помпажах компрессора за наперед заданный (фиксированный) интервал времени Δτ.
порог
порог
порог
порог
порог
порог
порог
Технический результат достигается тем, что в способе защиты газотурбинного двигателя от многократных помпажей компрессора, заключающийся в том, что измеряют давление воздуха за компрессором Рк, определяют скорость изменения давления ΔРк/Δτ, сравнивают ее с пороговым значением (ΔРк/Δτ), формируют сигнал «Помпаж» при ΔРк/Δτ≥(ΔРк/Δτ), измеряют частоту вращения ротора высокого давления nвд и сравнивают с его пороговым значением nвд, характеризующим взлетный режим, и в случае, если nвд<nвд и наличии сигнала «Помпаж» осуществляют кратковременное отключение подачи топлива в камеру сгорания и включают перепуск воздуха из компрессора; при этом в случае, если nвд≥nвд и сигнал «Помпаж» присутствует, то блокируют сигнал на отключение подачи топлива в камеру сгорания и сигнал на открытие перепуска воздуха из компрессора, согласно изобретения, дополнительно устанавливают предельно допустимое количество помпажей N за наперед заданный интервал времени Δτ, определяют количество сформированных сигналов «Помпаж» N за заранее заданный интервал времени Δτ, при этом в случае, если количество сформированных сигналов «Помпаж» N превышает N производят автоматическое прекращение подачи топлива в двигатель.
порог
Кроме того, согласно изобретению, устанавливают численное значение параметра N не менее 3, а продолжительность заранее заданного интервала времени Δτ=5…10 секунд.
порог
порог
В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, дополнительно устанавливают предельно допустимое количество помпажей N за наперед заданный интервал времени Δτ, определяют количество сформированных сигналов «Помпаж» N за заранее заданный интервал времени Δτ, при этом в случае, если количество сформированных сигналов «Помпаж» N превышает N производят автоматическое прекращение подачи топлива в двигатель, что позволяет повысить безопасность полета за счет автоматического выключения двигателя при многократных помпажах компрессора за наперед заданный (фиксированный) интервал времени Δτ.
На фиг. 1 - представлена структурная схема для реализации заявляемого способа.
Блок 1 представляет собой блок диагностики и устранения помпажа. На вход блока 1 поступает сигнал о величине давления воздуха за компрессором Рк и сигнал о величине частоты вращения ротора высокого давления nвд.
порог
порог
1
1
1
В блоке осуществляется вычисление первой производной Рк по времени ΔРк/Δτ, сравнение текущего значения ΔРк/Δτ с параметром (ΔРк/Δτ), представляющим собой предельно допустимое значение параметра ΔРк/Δτ и характеризующим неустойчивую работу компрессора; формирование сигнала «Помпаж» на выходе блока 1 (I) при ΔРк/Δτ>(ΔРк/Δτ). Сигнал I представляет собой стандартный электрический сигнал высокого логического уровня. Сигнал I «Помпаж» поступает в бортовую систему регистрации полетной информации, а также на вход блока 2.
порог
порог
порог
В блоке 1 также осуществляют измерение частоты вращения ротора высокого давления nвд и сравнение с его пороговым значением nвд, характеризующим взлетный режим, и в случае, если nвд<nвд и наличии сигнала «Помпаж» осуществляют кратковременное отключение подачи топлива в камеру сгорания и включение перепуска воздуха из компрессора; при этом в случае, если nвд≥nвд и сигнал «Помпаж» присутствует, то блокируют сигнал на отключение подачи топлива в камеру сгорания и сигнал на открытие перепуска воздуха из компрессора.
1
1
порог
Блок 2 представляет собой типовой электронный счетчик электрических сигналов l высокого логического уровня. Вход блока 2 соединен с выходом блока 1. В случае, если количество N сигналов l превышает N за заранее заданный интервал времени Δτ, то на выходе блока 2 формируется управляющий сигнал по которому производят автоматическое прекращение подачи топлива в двигатель.
Способ осуществляется следующим образом.
порог
порог
порог
1
В процессе работы двигателя на вход блока 1 поступает сигнал частоты вращения ротора высокого давления nвд и сигнал о величине давления воздуха за компрессором Рк. При ΔРк/Δτ≥(АРк/Δτ)формируют сигнал «Помпаж» на выходе блока 1 в виде электрического сигнала (I) высокого логического уровня. В блоке 1 также осуществляют измерение частоты вращения ротора высокого давления nвд и сравнение с его пороговым значением nвд, характеризующим взлетный режим. В случае, если nвд<nвд и в наличии сигнала «Помпаж», то осуществляют кратковременное отключение подачи топлива в камеру сгорания и включение перепуска воздуха из компрессора.
После устранения помпажа возобновляют подачу топлива в двигатель и закрытие клапанов перепуска воздуха по заданной программе управления, тем самым обеспечивая восстановление режима работы двигателя до помпажа. В случае, если причиной помпажа был кратковременный фактор, то повторного помпажа не происходит и продолжается эксплуатация двигателя без каких-либо ограничений. Наоборот, при наличии постоянно действующего фактора, приводящего к неустойчивой работе компрессора, возможно наличие многократных помпажей.
1
1
порог
В блоке 2 осуществляется подсчет сигналов «Помпаж», а именно определение количества электрических сигналов I за заранее заданный интервал времени Δτ. В случае, если количество N сигналов I превышает N за наперед заданный интервал времени Δτ, то на выходе блока 2 формируется управляющий сигнал, по которому производят автоматическое прекращение подачи топлива в двигатель.
порог
Статистикой и расчетами установлено, что для двухконтурных авиационных двигателей с типовым временем приемистости «Малый газ - Максимальный режим» 7…9 секунд, предпочтительным является следующий количественный критерий - автоматическое выключение двигателя целесообразно осуществлять при не менее 3 срабатываний противопомпажной системы (N не менее 3) за заранее заданное время Δτ=5…10 секунд.
Таким образом, выполнение предлагаемого изобретения с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет повысить безопасность полета за счет автоматического выключения двигателя при многократных помпажах компрессора за наперед заданный (фиксированный) интервал времени Δτ.