Способ регулирования радиального зазора в газотурбинном двигателе
METHOD FOR ADJUSTING RADIAL CLEARANCE OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области управления авиационными двигателями, в частности к системам активного управления радиальными зазорами (САУРЗ) в газотурбинных двигателях (ГТД).
Известен способ регулирования радиальных зазоров, основанный на совместном использовании математических моделей и датчиков радиальных зазоров (патент US 8230726, МПК F02C 7/00, G06F 19/00, опубл. 31.07.2012). Калибровка математической модели производится на основании экспериментальных данных. Способ подразумевает использование величин монтажных радиальных зазоров, предварительно измеренных на холодном двигателе. Недостатком данного способа является большая погрешность расчетов применительно к нестандартным условиям работы двигателя, а также невозможность прогнозирования величины зазора из-за совместного использования расчетных и экспериментальных данных.
Известен способ регулирования радиальных зазоров (патент RU 2546381, МПК F01D 11/24, опубл. 10.04.2015), при котором измеряют радиальный зазор, сравнивают его значения с расчетным и по результатам сравнения регулируют расход воздуха, подаваемого на обдув ротора и статора турбины для поддержания заданной температуры. В данном способе для получения значения расчетного 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 монтажного зазора турбины. Недостатком данного способа является привязка к предварительным расчетам на стационарных режимах, что может привести к некорректной работе системы на нестандартных режимах работы двигателя, а также отсутствует возможность прогнозирования величины зазора.
Известен способ регулирования радиальных зазоров (патент US 7079957, МПК F01D 11/08, F01D 11/22, F02C 7/28, опубл. 18.07.2006), в котором система управления радиальными зазорами работает на основании входных данных, характеризующих режим работы двигателя, измеряемых в режиме реального времени. Далее на основании измеренных параметров математическая модель производит расчет радиального зазора в режиме реального времени, после чего исполнительный механизм производит регулировку радиального зазора до целевого значения. Недостатком данного способа является то, что при таком способе управления возможно использование только механических приводов для регулирования положения секторов статора, что ограничивает применение в серийных авиационных двигателях и увеличивает вес и габариты конструкции, а также не дает возможности прогнозирования зазоров.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ регулирования радиальных зазоров (патент ЕР 1314857, МПК F01D 11/08, F01D 11/24, F01D 25/24, опубл. 25.10.2006), заключающийся в определении расхода охлаждающего корпус воздуха на основании разности желаемой величины радиального зазора и величины, рассчитанной по математической модели в режиме реального времени. Математическая модель радиального зазора определяет тепловые деформации ротора и статора турбины на основании постоянных времени деталей. Решение математической модели производится на временном шаге системы автоматического управления (САУ). К недостаткам данного способа можно отнести следующее. В данном способе регулирование радиальных зазоров происходит на основании предварительного расчета стационарных режимов и постоянных времени, что снижает точность моделей на нестандартных режимах работы двигателя, не позволяет сделать систему полностью динамической. Отсутствие в модели механической вытяжки ротора (лопаток и дисков) значительно снижает точность моделирования радиального зазора.
Также из уровня техники выявлен способ регулирования радиального зазора в газотурбинном двигателе (патент US 7621716, МПК F01D 11/08, F01D 11/24, F01D 25/24, опубл. 24.11.2009), включающий регистрацию параметров на работающем двигателе, вычисление текущего радиального зазора, производимое с помощью математических моделей, регулирование системой активного управления радиального зазора (САУРЗ) параметров обдува корпуса в зависимости от величины текущего зазора, величину радиального зазора вычисляют по предиктивной математической модели, которая в текущий момент времени рассчитывает текущую величину радиального зазора и его прогнозируемую величину на основе текущих параметров работающего двигателя, при этом прогнозируемый временной отрезок определяют по тепловой инертности деталей двигателя, а предиктивный расчет производят до установления оптимального для данных условий работы двигателя радиального зазора, по которому регулируют параметры обдува корпуса, при этом периодичность вычисления зазора устанавливает САУРЗ.
Технической проблемой является оптимизация величин радиальных зазоров в газотурбинном двигателе с достаточной точностью на всех режимах работы двигателя, в том числе нестандартных (например, облет грозового фронта), с заблаговременным предотвращением врезания ротора в статор и настройкой обдува корпуса при отсутствии принципиальных изменений конструктивного облика существующих серийных систем (использование тепловых систем).
Целью настоящего изобретения является создание способа регулирования радиальных зазоров в газотурбинном двигателе, основанного на предиктивном моделировании, при котором математическая модель производит текущую оценку величины радиальных зазоров на основании текущих регистрируемых и расчетных параметров режима работы двигателя, а также производит прогноз необходимой величины зазора на некоторый будущий временной отрезок, что позволяет заблаговременно установить условия обдува корпуса для оптимизации величин зазоров во время переходного процесса, а также предотвратить врезание ротора в статор.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении КПД турбины и снижении удельного расхода топлива вследствие оптимизации радиальных зазоров на всех режимах работы двигателя (в том числе нестандартных, например, облет грозового фронта), а также в снижении затрат на ремонт лопаток и секторов статора вследствие предиктивного анализа изменения радиальных зазоров с последующим предотвращением врезания ротора в статор.
Технический результат достигается за счет того, что в способе регулирования радиального зазора в газотурбинном двигателе, включающем регистрацию параметров на работающем двигателе, вычисление текущего радиального зазора, производимое с помощью математических моделей, регулирование системой активного управления радиального зазора (САУРЗ) параметров обдува корпуса в зависимости от величины текущего зазора, величину радиального зазора вычисляют по предиктивной математической модели, которая в текущий момент времени рассчитывает текущую величину радиального зазора и его прогнозируемую величину на основе текущих параметров работающего двигателя, при этом прогнозируемый временной отрезок определяют по тепловой инертности деталей двигателя, а предиктивный расчет производят до установления оптимального для данных условий работы двигателя радиального зазора, по которому регулируют параметры обдува корпуса, при этом периодичность вычисления зазора устанавливает САУРЗ, согласно изобретению, величину радиального зазора вычисляют одновременно как минимум по двум деталям двигателя с использованием не менее двух параметров работающего двигателя, при этом по каждой из деталей расчет производят с помощью одномерных численных методик моделирования теплового состояния и радиальных перемещений, а предиктивный расчет производят циклически до установления стационарной величины радиального зазора с последующим анализом прогнозируемой ситуации, при этом, если прогнозируется врезание ротора в статор, то обдув корпуса прекращают или повышают температуру воздуха обдува и начинают новый расчет, если врезание не прогнозируется, то расчет продолжают до установления оптимальной величины радиального зазора для данных условий работы двигателя.
Кроме того, согласно изобретению, предиктивный расчет проводят из условия, что текущий режим работы двигателя остается постоянным на прогнозируемом отрезке времени.
Кроме того, согласно изобретению, временной отрезок, на который прогнозируют величину радиального зазора, определяется временем прогрева детали с наибольшей тепловой инертностью.
Кроме того, согласно изобретению, оптимальную величину радиального зазора рассчитывают путем подбора расхода или температуры воздуха обдува корпуса.
Кроме того, согласно изобретению, периодичность вычисления зависит от быстродействия программного обеспечения и исполнительных механизмов САУРЗ и составляет 0,1…2 сек.
Кроме того, согласно изобретению, регулирование расхода воздуха для обдува осуществляют регулировкой заслонки, установленной на трубу подвода воздуха для охлаждения корпуса.
Кроме того, согласно изобретению, регулирование температуры воздуха для обдува осуществляют регулировкой заслонок на смесителе, установленном на трубу подвода воздуха для охлаждения корпуса.
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 представлена блок-схема логики управляющей программы предиктивной САУРЗ, на фиг. 2 - пример логики работы предиктивного анализатора условий обдува корпуса турбины.
Блок-схема логики управляющей программы предиктивной САУРЗ (фиг. 1) разделена на 4 раздела.
В разделе 1 происходит ввод начального поля температур при запуске двигателя, для этого в программу САУРЗ встроена модель остывания деталей двигателя, которая определяет температуру деталей исходя из времени простоя двигателя для корректной работы САУРЗ в случае горячего запуска двигателя.
В разделе 2 происходит ввод данных в программу САУРЗ из САУ двигателя (вводятся текущие регистрируемые и расчетные параметры работающего двигателя, например, частота вращения роторов, высота полета, температуры и давления рабочего тела в основных сечениях двигателя, температура, давление и расход воздуха в системе вторичных потоков и др.), а также происходит переход на новый шаг по времени основного не предиктивного цикла. Данный шаг по времени осуществляется в режиме реального времени, последующие циклические расчеты будут являться предиктивными.
В разделе 3 происходит расчет радиального зазора с помощью одномерных численных методик моделирования теплового состояния и радиальных перемещений, для ускорения вычисления расчеты для разных деталей двигателя выполняются параллельно. При этом величина радиального зазора после выполнения одного цикла вычисления с шагом по времени равным периоду дискретизации измерительной системы будет являться текущей в следующий физический момент времени.
Раздел 4 является основным логическим разделом управляющей программы САУРЗ.
В блоке А проводится проверка достижения стационарного радиального зазора. В случае, если установившееся значение не достигнуто, происходит дальнейший предиктивный расчет на текущем физическом шаге по времени. При достижении стационарного значения происходит переход к блоку Б.
В блоке Б анализируется вероятность врезания ротора в статор. Если текущие параметры режима работы и обдува ведут к врезанию ротора в статор, то программа выдает команду на исполнительные механизмы САУРЗ о прекращении обдува корпуса или повышении температуры воздуха обдува, предиктивный расчет заканчивается и происходит переход к следующему физическому шагу по времени с новыми параметрами режима. Если текущие параметры режима и обдува не ведут к врезанию, то происходит переход к блоку В.
В блоке В производится предиктивный расчет зазора с различными параметрами обдува, происходит подбор расхода или температуры воздуха обдува корпуса для дальнейшего установления оптимального зазора. Если оптимальная величина подобрана, то программа выдает команду на исполнительные механизмы САУРЗ и происходит переход к блоку Г. Если оптимальная величина не достигнута, то происходит еще один предиктивный расчет на текущем физическом шаге по времени с другой величиной расхода или температуры воздуха обдува корпуса.
Блок Г осуществляет переход на следующий физический шаг по времени с вводом параметров из САУ в случае, если двигатель не выключен, если двигатель выключен, то программа САУРЗ включает модель остывания деталей двигателя до следующего запуска.
Работа блоков Б…В дополнительно показана на фиг. 2. Из любой точки переходного процесса на текущем физическом шаге по времени происходит предиктивный расчет до установления стационарной величины радиального зазора. Если текущие условия обдува приводят к врезанию, то обдув прекращается или повышается температура обдува и происходит переход к следующему шагу по времени. Если врезание не прогнозируется, то происходит подбор расхода или температуры воздуха обдува корпуса с целью установления оптимальной величины радиального зазора.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Математические модели, используемые в САУРЗ, должны быть интегрированы в САУ двигателя. Используемая в САУРЗ предиктивная математическая модель радиальных зазоров включает в себя модели радиальных перемещений деталей ротора и статора, основанные на одномерных численных методиках моделирования теплового состояния и радиальных перемещений. Используемые одномерные методики не требовательны к вычислительным ресурсам и в то же время обеспечивают высокую скорость вычислений (например, расчет температур диска на 8000 временных шагов по 1 секунде с использованием одномерной математической модели, основанной на непосредственном решении нестационарного уравнения теплопроводности и динамическом вычислении коэффициентов теплоотдачи исходя из регистрируемых параметров цикла, занимает 0,285 с и 2,37 Мб памяти), что позволяет успешно интегрировать их в САУ двигателя.
Бортовые математические модели расчета радиального зазора принимают в качестве входных данных регистрируемые на работающем двигателе параметры, такие как частота вращения ротора, температуры и давления в основных сечениях двигателя, температура и расход воздуха, охлаждающего корпус и т.д.
На основании полученных входных данных модель производит вычисление текущего радиального зазора с частотой, достаточной для анализа радиальных перемещений деталей с наименьшей тепловой инертностью (0,5-10 Гц для лопаток). Затем после сохранения в памяти управляющей программы САУРЗ текущей расчетной величины радиального зазора происходит предиктивный расчет, то есть на текущем временном шаге (который составляет порядка 0,1…2 с.) происходит расчет «вперед» на промежуток времени, определенный темпами прогрева детали с наибольшей тепловой инертностью (например, постоянная времени нагрева диска 5-7 минут). Таким образом, за каждую секунду работы двигателя производят порядка 10 расчетов с прогнозом на 7 минут (420 с), что составляет 4200 расчетов в моделях теплового состояния (при равенстве шага по времени 1 с) и радиальных перемещений ротора и статора турбины.
Предиктивный расчет на каждом временном шаге производят из условия, что текущий режим работы двигателя остается постоянным на прогнозируемом отрезке времени, то есть просчитывая радиальный зазор наперед, можно оптимизировать величину радиального зазора из каждой точки переходного процесса путем подбора расхода или температуры охлаждающего корпус воздуха, а также при известном расходе или температуре охлаждающего воздуха производить анализ радиального зазора для заблаговременного предотвращения врезания ротора в статор.
Одним из достоинств предлагаемого способа регулирования радиального зазора является то, что для его реализации не требуется значительных изменений существующих конструкций, так как основная часть изменений затрагивает программное обеспечение. Возможные изменения в конструкции - установка заслонки на трубу подвода воздуха для обдува корпуса (при регулировании расхода) или установка смесителя с заслонками на трубы подвода воздуха для обдува корпуса (при регулировании температур).
Таким образом, заявляемое изобретение, основанное на предиктивном анализе изменений радиальных зазоров, позволяет предотвратить врезание ротора в статор и установить оптимальное значение радиального зазора с соответствующим расходом и/или температурой воздуха для обдува корпуса на всех режимах работы двигателя, в том числе нестандартных, что приводит к снижению затрат на ремонт лопаток и секторов статора, уменьшению удельного расхода топлива и повышению КПД турбины.