СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ СРЫВА ПОТОКА В КОМПРЕССОРЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
METHOD AND DEVICE TO DETECT ROTARY FLOW BREAKAWAY IN COMPRESSOR OF GAS TURBINE ENGINE AND GAS TURBINE ENGINE

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей. В частности, оно касается обнаружения вращающегося срыва потока, влияющего на компрессор газотурбинного двигателя.
Изобретение применяется для любых типов газотурбинных двигателей, в частности, для авиационных газотурбинных двигателей, таких как турбореактивные двигатели, турбовинтовые двигатели и т.д. Как известно, вращающийся срыв потока является нарушением аэродинамической стабильности, которое влияет на работу компрессора и характеризуется присутствием одного или нескольких локальных карманов текучей среды (называемых также ячейками или карманами срыва потока), перемещающихся в окружном направлении со скоростью, как правило, меньшей скорости вращения компрессора.
Это нарушение стабильности обычно приводит к снижению характеристик компрессии и выражается, в частности, падением производительности и степени сжатия в компрессоре. Кроме того, оно является причиной сильных вибрационных явлений, которые могут привести к преждевременному износу лопаток компрессора.
Таким образом, представляется понятным, насколько важно иметь возможность быстро и надежно обнаруживать появление вращающегося срыва потока в компрессоре газотурбинного двигателя.
В настоящее время были предложены различные способы с целью решения этой проблемы. Однако в большинстве случае эти способы основаны:
- либо на технологиях обнаружения, которые не позволяют отличить ситуацию помпажа от ситуации вращающегося срыва потока. В частности, это касается способа, предложенного в документе US 4581888;
- либо на использовании дорогих датчиков, не предназначенных для газотурбинных двигателей, например, быстродействующих и высокоэффективных датчиков давления, описанных в документе US 6871487.
Поэтому существует потребность в простом, быстром и надежном решении для обнаружения вращающегося срыва потока, для которого предпочтительно используют датчики, уже присутствующие в газотурбинном двигателе.
Сущность изобретения
Изобретение призвано удовлетворить эту потребность и предложить способ обнаружения вращающегося срыва потока в компрессоре газотурбинного двигателя, содержащий следующие этапы:
- обнаруживают аномальное ускорение газотурбинного двигателя или рабочую кривую компрессора, характерную для нарушения в работе газотурбинного двигателя;
- сохраняют в памяти контрольную температуру, измеренную на выходе турбины газотурбинного двигателя в момент обнаружения;
- сравнивают с определенным температурным порогом разность между текущей температурой, измеренной после обнаружения на выходе турбины, и контрольной температурой; и
- в случае превышения порога идентифицируют присутствие вращающегося срыва потока.
Соответственно, объектом изобретения является устройство обнаружения вращающегося срыва потока в компрессоре газотурбинного двигателя, содержащее:
- средства обнаружения аномального ускорения газотурбинного двигателя или рабочей кривой компрессора, характерной для нарушения в работе газотурбинного двигателя;
- средства запоминания контрольной температуры, измеренной на выходе турбины газотурбинного двигателя в момент обнаружения;
- средства сравнения с определенным температурным порогом разности между текущей температурой, измеренной после обнаружения на выходе турбины, и контрольной температурой; и
- средства идентификации присутствия вращающегося срыва потока в случае превышения порога.
Таким образом, для обнаружения вращающегося срыва потока, влияющего на компрессор газотурбинного двигателя, в изобретении предлагается отслеживать повышение температуры на выходе турбины этого газотурбинного двигателя, начиная с конкретного момента. Этот момент соответствует моменту, когда обнаруживают либо аномальное ускорение или аномальное падение режима газотурбинного двигателя, либо рабочую кривую компрессора, характерную для нарушения в работе газотурбинного двигателя.
Иначе говоря, в изобретении предлагается комбинировать несколько показателей, связанных с поведением газотурбинного двигателя в присутствии вращающегося срыва потока (называемых также поведенческими сигнатурами), в частности, таких как повышенный уровень и повышение температуры на выходе турбины, аномальное ускорение газотурбинного двигателя, аномальная рабочая кривая компрессора, чтобы надежно идентифицировать присутствие вращающегося срыва потока в компрессоре.
Следовательно, в изобретении предлагается простой метод обнаружения, основанный на использовании датчиков, классически применяемых во время мониторинга газотурбинных двигателей (температурный датчик, датчик скорости), что делает его исключительно простым в применении. Так, например, когда газотурбинный двигатель является авиационным турбореактивным двигателем, можно применять способ и устройство обнаружения в соответствии с изобретением на борту летательного аппарата, что является существенным преимуществом.
В частном варианте выполнения способа обнаружения дополнительно содержит следующие этапы:
- производят оценку показателей, в том числе, по меньшей мере:
- показателя, характеризующего превышение предельной температуры на выходе турбины;
- показателя, характеризующего обнаружение помпажа компрессора;
- показателя, характеризующего аномальное падение режима газотурбинного двигателя;
- производят оценку, по меньшей мере, одной взвешенной комбинации этих показателей; и
- обновляют температурный порог в зависимости от значения этой комбинации.
Соответственно, в этом варианте выполнения устройство обнаружения дополнительно содержит:
- средства оценки показателей, в том числе, по меньшей мере:
- показателя, характеризующего превышение предельной температуры на выходе турбины;
- показателя, характеризующего обнаружение помпажа компрессора;
- показателя, характеризующего аномальное падение режима газотурбинного двигателя.
- средства оценки, по меньшей мере, одной взвешенной комбинации этих показателей; и
- средства обновления температурного порога в зависимости от значения этой комбинации.
Использование этих показателей позволяет:
- с одной стороны, повысить надежность обнаружения: за счет этого избегают ложных тревожных сигналов, которыми трудно управлять, так как они требуют остановки и повторного запуска газотурбинного двигателя;
- и, с другой стороны, ускорить обнаружение.
Действительно, необходимо отметить, что на практике невозможно точно определить температуру, которая позволила бы надежно диагностировать вращающийся срыв потока в компрессоре. Изобретение призвано компенсировать эту неточность за счет применения принципов нечеткой логики к обнаружению вращающегося срыва потока.
Этого добиваются, в частности, посредством обновления температурного порога, применяемого для обнаружения. Предпочтительно его первоначально принимают достаточно высоким, чтобы избежать ошибочного обнаружения, затем понижают в соответствии с изобретением, если другие показатели, отличные от повышения температуры на выходе турбины, позволяет предсказать присутствие вращающегося срыва потока.
Таким образом, эти показатели в некотором роде взвешивают обнаружение, реализуемое на базе повышения температуры на выходе турбины, и позволяют его ускорить. За счет этого добиваются обнаружения, одновременно надежного и эффективного с точки зрения скорости.
Оцениваемая взвешенная или оцениваемые взвешенные комбинации в этом варианте выполнения могут быть результатом, в частности, комбинаторной логики, применяемой между показателями.
Например, можно рассмотреть взвешенную комбинацию, получаемую в результате применения логической функции И между:
- показателем, характеризующим превышение предельной температуры на выходе турбины; и
- показателем, характеризующим обнаружение помпажа компрессора.
В качестве варианта можно рассмотреть взвешенную комбинацию, получаемую в результате применения логической функции ИЛИ между:
- показателем, характеризующим превышение предельной температуры на выходе турбины; и
- показателем, характеризующим аномальное падение режима газотурбинного двигателя.
Разумеется, можно предусматривать и другие взвешенные комбинации, основанные на комбинаторной логике или на реальных, а не на двоичных весовых множителях.
В частном варианте осуществления изобретения обнаруживают, что рабочая кривая является характерной для нарушения в работе газотурбинного двигателя, сравнивая отношение давления, измеренного на выходе камеры сгорания газотурбинного двигателя, к общему давлению на входе вентилятора газотурбинного двигателя с заранее определенным порогом, зависящим от режима вращения компрессора.
Как правило, соотношение давлений, меньшее соотношения давлений, характерного для нормальной работы газотурбинного двигателя, может являться симптомом вращающегося срыва потока или самовыключения камеры сгорания газотурбинного двигателя. Учет других поведенческих сигнатур в соответствии с изобретением позволит подтвердить или опровергнуть присутствие вращающегося срыва потока.
Сравнение соотношений давления с заранее определенным порогом позволяет обнаружить вращающийся срыв потока заранее, то есть до того, как приходится констатировать стагнацию или сбой режима газотурбинного двигателя (то есть аномальное ускорение газотурбинного двигателя). Это представляет еще больший интерес на режиме малого газа. Такое ранее обнаружение позволит очень быстро применить методы коррекции вращающегося срыва потока и избежать, таким образом, неудачного запуска газотурбинного двигателя.
В варианте осуществления изобретения, если обнаруживают, что текущая температура ниже контрольной температуры, эту температуру принимают в качестве новой контрольной температуры.
Это позволяет более точно отслеживать изменение температуры на выходе турбины.
В другом варианте осуществления способ в соответствии с изобретением дополнительно содержит этап идентификации фазы работы газотурбинного двигателя, при этом этапы обнаружения, измерения, сравнения и идентификации осуществляют, если идентифицированная фаза работы является:
- фазой запуска или повторного запуска газотурбинного двигателя; или
- фазой регулирования тяги после запуска газотурбинного двигателя.
Действительно, именно во время этих двух фаз вращающийся срыв потока может влиять на газотурбинный двигатель. Идентификация одной или другой из этих фаз позволяет оптимизировать выявление вращающегося срыва потока и сэкономить ресурсы газотурбинного двигателя, ограничивая выполнение способа в соответствии с изобретением.
Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий устройство обнаружения в соответствии с изобретением.
Краткое описание чертежей и приложений
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, приведенного со ссылками на чертежи и из приложений, которые иллюстрируют не ограничительный пример выполнения и на которых:
Фиг. 1 изображает блок-схему основных этапов способа обнаружения вращающегося срыва потока в соответствии с изобретением в частном варианте осуществления.
Фиг. 2 - пример средств обнаружения рабочей кривой компрессора, характерной для нарушения в работе газотурбинного двигателя.
Фиг. 3 - основные этапы, осуществляемые при обновлении температурного порога в частном варианте осуществления изобретения.
Фиг. 4 - пример средств, позволяющих оценивать показатель, характеризующий превышение предельной температуры на выходе турбины.
Фиг. 5 - пример средств, позволяющих оценивать показатель, характеризующий обнаружение помпажа компрессора.
Фиг. 6 - пример средств, позволяющих оценивать показатель, характеризующий аномальное падение режима газотурбинного двигателя.
Фиг. 7 - пример средств оценки взвешенных комбинаций показателей.
Приложения 1 и 2 иллюстрируют примеры баз данных, которые можно использовать для средств обнаружения, показанных на фиг.2, с целью обнаружения рабочей кривой компрессора, характерной для нарушения в работе газотурбинного двигателя, в частном варианте выполнения изобретения.
Подробное описание варианта осуществления изобретения
Как было указано выше, изобретением предлагается применять принципы нечеткой логики для обнаружения вращающегося срыва потока. В частности, изобретение предлагает комбинировать несколько показателей или поведенческих сигнатур газотурбинного двигателя, связанных с явлением вращающегося срыва потока, чтобы надежно идентифицировать его присутствие в компрессоре.
В данном случае под поведенческой сигнатурой следует понимать характеристическое поведение рабочего параметра газотурбинного двигателя (например, режима газотурбинного двигателя, температуры на выходе турбины, рабочей кривой компрессора и т.д.) в присутствии вращающегося срыва потока.
В представленном варианте выполнения рассматриваются следующие показатели:
- стагнация или падение режима газотурбинного двигателя;
- повышение температуры на выходе турбины газотурбинного двигателя;
- падение степени сжатия (наличие помпажа);
- повышенная температура на выходе турбины газотурбинного двигателя; и
- рабочая кривая компрессора, характерная для нарушения в работе газотурбинного двигателя.
Под рабочей кривой компрессора в данном случае следует понимать изменение, в зависимости от режима вращения компрессора, отношения давления, измеренного на выходе камеры сгорания газотурбинного двигателя, к общему давлению, измеренному на входе вентилятора газотурбинного двигателя. Эта рабочая кривая известна специалисту и зависит от рассматриваемого газотурбинного двигателя.
Наличие этих показателей позволяет предсказать присутствие вращающегося срыва потока. Разумеется, кроме вышеуказанных, можно предусматривать и другие показатели для повышения надежности обнаружения.
Далее со ссылками на Фиг. 1 следует описание основных этапов способа обнаружения в соответствии с изобретением в частном варианте выполнения, в котором способ применяют для газотурбинного двигателя.
В представленном примере предусматривают обнаружение вращающегося срыва потока, влияющего на компрессор высокого давления двухконтурного турбореактивного двигателя, которым оборудован летательный аппарат. Однако это применение не является ограничительным, и изобретение можно также применять для компрессора низкого давления, а также для других газотурбинных двигателей.
Как известно, в случае турбореактивного двигателя режим вращающегося срыва потока может появиться во время двух различных фаз работы турбореактивного двигателя, а именно:
- во время фазы φ1 запуска или повторного запуска (турбореактивный двигатель работает в режиме “sub-idle”); и/или
- во время фазы φ2 регулирования тяги после запуска (турбореактивный двигатель работает в режиме “off-idle”).
Согласно описанному варианту выполнения, способ обнаружения в соответствии с изобретением применяют, только когда турбореактивный двигатель находится в одной или другой из этих фаз (то есть φ1=1 или φ2=1), чтобы экономить ресурсы летательного аппарата.
Таким образом, на первом этапе идентифицируют фазу работы турбореактивного двигателя (этап Е10). В частности, определяют, что турбореактивный двигатель находится в одной из фаз φ1 или φ2.
Как известно, можно легко установить фазы φ1 и φ2 работы турбореактивного двигателя:
- посредством анализа приводов запуска турбореактивного двигателя, которые показывают, находится ли он в фазе φ1 запуска/повторного запуска;
- посредством запроса цепей коррекции ускорения турбореактивного двигателя, которые задействованы, если турбореактивный двигатель находится в фазе φ2.
Если турбореактивный двигатель не находится ни в фазе работы φ1, ни в фазе работы φ2 (φ1=φ2=НЕВЕРНО=0) (этап Е20), то считают, что компрессор не может подвергнуться влиянию вращающегося срыва потока. В этом случае способ обнаружения завершается (этап Е30).
Если же турбореактивный двигатель находится в фазе работы φ1 или в фазе работы φ2 (φ1=ВЕРНО=1 или φ2=ВЕРНО=1) (этап Е20), производят анализ его режима, чтобы, в случае необходимости, обнаружить аномальное ускорение турбореактивного двигателя или рабочую кривую компрессора, характерную для нарушения в работе турбореактивного двигателя (этап Е40).
Аномалия в рабочей кривой компрессора высокого давления представляет собой симптоматическую поведенческую сигнатуру вращающегося срыва потока, которая появляется слишком рано при работе турбореактивного двигателя во время фазы φ1, то есть практически сразу после запуска турбореактивного двигателя и во время работы в режиме малого газа, даже если пока невозможно обнаружить аномальное ускорение турбореактивного двигателя.
Действительно, после запуска турбореактивного двигателя, поскольку он работает на стартере, набор его оборотов может проходить нормально, тогда, как на двигателе может присутствовать вращающийся срыв потока (то есть стагнация ускорения не отмечается до определенного режима). С другой стороны, во время этого периода, когда компрессор достигает определенного режима вращения, можно отличить рабочую кривую компрессора, характерную для нарушения в работе турбореактивного двигателя, от нормальной рабочей кривой посредством наблюдения отношения давления, измеряемого на выходе камеры сгорания турбореактивного двигателя, к общему давлению, измеряемому на входе вентилятора.
Наблюдение этого соотношения давлений и рабочей кривой компрессора высокого давления во время этого периода позволяет незамедлительно активировать мониторинг других поведенческих сигнатур и, как правило, температуры на выходе турбины турбореактивного двигателя.
Как было указано выше, для обнаружения рабочей кривой компрессора, характерной для нарушения работы турбореактивного двигателя, используют отношение статического давления PS3, измеряемого на выходе камеры сгорания турбореактивного двигателя, к общему давлению РТ, измеряемому на входе вентилятора. Статическое давление PS3 и давление РТ измеряют при помощи датчиков давления, которые известны специалисту и описание которых опускается.
На Фиг. 2 представлен пример средств 1 обнаружения рабочей кривой компрессора, характерной для нарушения работы турбореактивного двигателя, которые можно применять в рамках изобретения. В данном случае эти средства обнаружения применяют, только если обнаруживают, что турбореактивный двигатель запущен (при неработающем турбореактивном двигателе явление вращающегося срыва потока не возникает), и что компрессор высокого давления достиг заранее определенного режима вращения, начиная от которого можно отличить нормальную работу от нарушения в работе турбореактивного двигателя. Определение этого режима вращения может быть осуществлено экспериментальным путем и не представляет сложности для специалиста.
Согласно примеру, представленному на Фиг. 2, сравнивают отношение давления PS3 к давлению РТ, в случае необходимости, в разные моменты дискретизации, с порогом, определяемым в зависимости от пониженного режима вращения N2 компрессора по его входной температуре Т25, обозначаемого N2r, то есть:
<mrow><mi>N</mi><mn>2</mn><mi>r</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>N</mi><mn>2</mn></mrow><mrow><mroot><mrow><mi>T</mi><mn>25</mn><mo>/</mo><mn>288,15</mn></mrow><mrow /></mroot></mrow></mfrac></mrow>
.
В данном случае это производимое сравнение осуществляют по относительной величине.
В частности, измерения давлений PS3 и РТ поступают на вход блока деления 2, выполненного с возможностью вычисления соотношения PS3/PT.
Параллельно с этой обработкой на вход первой цифровой модели 3 поступает оценка пониженного режима N2r компрессора. Следует отметить, что пониженный режим вращения N2r является рабочим параметром, классически используемым в мониторинге турбореактивных двигателей. Методы получения этого параметра хорошо известны специалисту, и их описание опускается.
В данном случае первая цифровая модель 3 является базой данных (например таблицей), которая с различными значениями пониженного режима N2r связывает контрольное значение соотношения давлений (PS3/PT), обозначаемое Vref(N2r). Под базой данных в данном случае следует более широко понимать совокупность данных, которая может быть представлена в различных формах, например, в виде таблицы.
Контрольное значение Vref(N2r) дает оценку отношения давлений PS3/PT при пониженном режиме вращения N2r, ниже которого работа рассматриваемого турбореактивного двигателя отличается от нормальной работы турбореактивного двигателя. Иначе говоря, оно характеризует предельное значение отношения давлений PS3/PT, при котором считают, что турбореактивный двигатель работает нормально. Таким образом, ниже рабочей кривой, определяемой различными контрольными значениями в зависимости от режима N2r (с учетом возможного запаса), считается, что имеется нарушение в работе турбореактивного двигателя (то есть, большой вращающийся срыв потока, самовыключение камеры сгорания и т.д.).
Эту рабочую кривую (то есть контрольные значения Vref(N2r)) получают экспериментальным путем на основании картографии нормальных турбореактивных двигателей и турбореактивных двигателей с нарушениями, такими как вращающийся срыв потока.
Для иллюстрации в приложении 1 в виде таблицы представлены примеры значений отношения давлений PS3/PT в зависимости от пониженного режима вращения N2r при нарушениях в работе двигателя. Эти значения можно использовать в качестве контрольных значений, и они определяют рабочую кривую в рамках изобретения. Таким образом, таблица, представленная в приложении 1, представляет собой базу данных, которую можно использовать в качестве первой цифровой модели.
Блок вычитания 4 вычитает контрольное значение Vref(N2r), полученное по первой цифровой модели 3, из ранее вычисленного соотношения PS3/PT.
Выходная данная блока вычитания 4 и соотношение PS3/PT, вычисленное блоком 2 деления, поступают на вход блока 5 деления. Этот блок производит оценку соотношения λ, определяемого как:
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>P</mi><mi>S</mi><mn>3</mn></mrow><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>V</mi><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>N</mi><mn>2</mn><mi>r</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>P</mi><mi>S</mi><mn>3</mn></mrow><mrow><mi>P</mi><mi>T</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
.
После этого компаратор 6 сравнивает это соотношение λ с заранее определенным порогом S0(N2r) с целью обнаружения аномально низкого соотношения давления. Порог S0(N2r) получают при помощи второй цифровой модели 7 в зависимости от пониженного режима вращения N2r.
В данном случае вторая цифровая модель 7 является базой данных (например, таблицей), которая с различными значениями пониженного режима N2r связывает порог S0(N2r), характеризующий предел, который можно допустить относительно вышеуказанной кривой нормальной работы компрессора высокого давления, прежде чем сделать вывод о том, что компрессор и, следовательно, турбореактивный двигатель подвержен влиянию неисправности, такой как вращающийся срыв потока. Этот предел определяют эмпирическим путем.
В приложении 2 в виде таблицы представлен пример базы данных, которую можно использовать в качестве второй цифровой модели.
Если соотношение λ меньше порога S0(N2r), компаратор выдает логическую единицу 1 (в противном случае он выдает логический 0), указывающую на обнаружение рабочей кривой компрессора, характерной для нарушения работы турбореактивного двигателя. При этом, в случае необходимости, активируют показатель Р1 (этап Е50). Показатель Р1 является, например, одним битом, установленным на 1, если он активирован, и на 0 в противном случае.
Если соотношение λ превышает порог S0(N2r), продолжают анализировать рабочую кривую компрессора высокого давления (то есть соотношение PS3/PT) в течение всей фазы φ1 с целью обнаружения возможной рабочей кривой, характерной для нарушения работы турбореактивного двигателя.
В варианте сравнение соотношения (PS3/PT) с заранее определенным порогом можно осуществлять по абсолютной величине, то есть соотношение (PS3/PT) сравнивают непосредственно с порогом.
Аномальное ускорение турбореактивного двигателя является другим показателем присутствия вращающегося срыва потока. Действительно, при наличии вращающегося срыва потока давление питания турбины падает, что приводит к уменьшению крутящего момента. При этом коэффициент ускорения режима турбореактивного двигателя аномально уменьшается более или менее существенно в зависимости от интенсивности вращающегося срыва потока.
Ускорение турбореактивного двигателя можно оценивать на основании производной скорости вращения N2 вала компрессора высокого давления турбореактивного двигателя. Вместе с тем, необходимо отметить, что аномальное ускорение турбореактивного двигателя проявляется по-разному в зависимости от того, находится турбореактивный двигатель в фазе φ1 или в фазе φ2.
Как известно, когда турбореактивный двигатель находится в фазе φ1 запуска или повторного запуска, режим турбореактивного двигателя (и, следовательно, скорость вращения N2) контролируют при помощи контура автоматического регулирования, с которым связывают порог минимального ускорения (то есть минимальное заданное значение ускорения), обозначаемый S1(dN2).
Для обнаружения аномального ускорения турбореактивного двигателя во время фазы φ1 определяют, опускается ли производная скорости вращения относительно времени t (то есть ускорение), обозначаемое dN2/dt, намного ниже минимального заданного значения S1(dN2) (этап Е42). Иначе говоря, проверяют:
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>N</mi><mn>2</mn></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo><</mo><mi>α</mi><mo>×</mo><mi>S</mi><mn>1</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>d</mi><mi>N</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
где α обозначает реальный коэффициент, характеризующий «существенное» понижение ниже порога S1(dN2). Например, если выбрать α=0,6, аномальное ускорение будет обнаружено, если ускорение турбореактивного двигателя ниже, как минимум, на 40% от ожидаемого минимального ускорения.
Вычисление производной dN2/dt известно и наглядно представлено на Фиг. 6, которая будет описана ниже.
Если обнаружено аномальное ускорение, активируют показатель Р1 (этап Е50). Показатель Р1 является, например, одним битом, установленным на 1, если обнаружено аномальное ускорение, а если нет - на 0.
В противном случае продолжают анализировать ускорение турбореактивного двигателя в течение всей фазы φ1 с целью возможного обнаружения аномального ускорения.
Фаза φ2 является фазой ускорения, которая требует большой мощности от турбины. Если во время этой фазы появляется вращающийся срыв потока, то систематически происходит «сбой» турбореактивного двигателя. Под сбоем следует понимать аномальное падение режима оборотов турбореактивного двигателя. Следовательно, аномальное ускорение турбореактивного двигателя во время фазы φ2 будет выражаться отрицательным ускорением.
Таким образом, для обнаружения аномального ускорения турбореактивного двигателя во время фазы φ2 определяют, является ли отрицательной производная скорости вращения по отношению к времени t, то есть dN2/dt (этап Е43). Иначе говоря, проверяют:
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>N</mi><mn>2</mn></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo><</mo><mi>S</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>d</mi><mi>N</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>≤</mo><mn>0</mn></mrow>
,
при этом S2(dN2) обозначает заранее определенный порог.
Если обнаружено аномальное ускорение, активируют показатель Р1 (этап Е50).
В противном случае продолжают анализировать ускорение турбореактивного двигателя в течение всей фазы φ2 с целью обнаружения аномального падения режима турбореактивного двигателя.
ref
В тот же или почти в тот же момент активация показателя Р1 запускает сохранение в памяти температуры на выходе турбины работающего турбореактивного двигателя. Эта температура, известная также под названием температуры EGT (Exhaust Gaz Turbine), является параметром, классически измеряемым и отслеживаемым в течение полета летательного аппарата при помощи датчиков, которые известны специалисту и описание которых опускается. Сохраненную таким образом в памяти температуру обозначают EGT. В рамках изобретения эта температура является контрольной температурой.
ref
ref
Таким образом, согласно способу обнаружения в соответствии с изобретением, анализируют изменение температуры, измеряемой на выходе турбины турбореактивного двигателя (обозначаемой EGT), относительно контрольной температуры EGT. Следует отметить, что, если в ходе этого анализа обнаруживают текущую температуру EGT, меньшую контрольной температуры EGT, то эту текущую температуру принимают за новую контрольную температуру.
ref
При каждом измерении температуры EGT производят оценку разности, обозначаемой ΔEGT, между этой температурой EGT и контрольной температурой EGT (этап Е60).
При этом разность ΔEGT сравнивают с определенным порогом S(EGT) (этап Е70).
В представленном примере этот порог выбирают изначально достаточно большим, чтобы можно было обнаружить вращающийся срыв потока без риска ошибочного обнаружения. Его определяют экспериментально, и он зависит от режима вращения N2r компрессора высокого давления. Его затем обновляют в ходе способа обнаружения в соответствии с изобретением (этап Е80), чтобы ускорить обнаружение вращающегося срыва потока, что будет подробнее описано ниже со ссылками на Фиг. 3.
Если разность ΔEGT превышает порог S(EGT), это значит, что обнаружен вращающийся срыв потока (этап Е90). После этого обнаружения может быть направлено тревожное сообщение, например, для пилота летательного аппарата, чтобы сигнализировать ему о присутствии вращающегося срыва потока. В ответ на это сообщение пилот может, в случае необходимости, скорректировать соответствующим образом режим турбореактивного двигателя.
Если разность ΔEGT меньше порога S(EGT), то этапы Е60 и Е70 повторяют для другого измерения температуры EGT.
Как было указано выше, в представленном варианте выполнения, чтобы повысить эффективность обнаружения с точки зрения быстроты и одновременно обеспечить низкий процент ошибочного обнаружения, порог S(EGT) обновляют (то есть понижают), когда другие показатели, отличные от значительного повышения температуры EGT, позволяет предсказать присутствие вращающегося срыва потока. Для этого изобретение предпочтительно применяет принципы нечеткой логики.
Как известно, нечеткая логика основана на математической теории нечетких (то есть определенных не точно) множеств и позволяет определить «ступенчатую» (то есть более или менее выраженную) принадлежность элемента к определенному классу. В частности, ее применяют в областях, в которых отсутствует математическая модель или точное знание явлений, которые необходимо отслеживать или контролировать.
У авторов изобретения возникла идея применить этот принцип нечеткой логики для обнаружения вращающегося срыва потока с целью обновления порога S(EGT), что описано со ссылками на Фиг. 3.
В представленном примере для принятия решения об обновлении порога S(EGT) производят оценку следующих трех показателей (этап Е81):
lim
- показателя i1, характеризующего превышение предельной температуры EGT на выходе турбины;
- показателя i2, характеризующего обнаружение помпажа компрессора;
- показателя i3, характеризующего сбой турбореактивного двигателя, иначе говоря, аномальное падение его режима.
Показатели i1, i2, i3 являются, например, битами, установленными на 1, если они активированы, и на 0 - если нет. Так, i2=1 значит, что обнаружен помпаж компрессора.
На Фиг. 4, 5 и 6 показаны средства, позволяющие оценивать эти показатели.
lim
На Фиг. 4 показаны средства 10, предназначенные для оценки показателя i1. Эти средства содержат компаратор 11, выполненный с возможностью сравнения каждого измерения температуры EGT на выходе турбины турбореактивного двигателя с предельной температурой EGT.
lim
Если EGT>EGT, компаратор 11 активирует показатель i1 (i1=1). В противном случае показатель i1 деактивирован (i1=0).
На Фиг. 5 показаны средства 20, предназначенные для оценки показателя i2, то есть для обнаружения наличия (или отсутствия) помпажа турбореактивного двигателя. Представленный пример ограничивается помпажом “sub-idle”, то есть который появляется, когда турбореактивный двигатель работает в режиме “sub-idle” (φ1=1). Действительно, во время этого режима работы помпаж почти всегда сопровождается вращающимся срывом потока, поэтому во время фазы φ1 запуска более предпочтительным является показатель i2.
Как известно, помпаж является нарушением аэродинамической стабильности потока текучей среды, проходящей через компрессор, которое может сопровождаться инверсией потока в компрессоре. Наличие помпажа выражается, в частности, в падении степени сжатия турбореактивного двигателя.
Для обнаружения этого падения степени сжатия средства 20 используют статическое давление PS3, измеряемое на выходе камеры сгорания турбореактивного двигателя в разные моменты времени.
e
e
e
На основании давления PS3, полученного в момент nT, где T обозначает период дискретизации, а n является отрицательным целым числом, средства 20 при помощи блока задержки 21 производят оценку давления PS3 в момент (n-1)T.
Затем блок вычитания 22 вычисляет разность давления dPS3:
e
e
dPS3 = PS3[(n-1)T]-PS3[nT],
e
e
где PS3[nT] обозначает значение давления PS3, дискретизированного в момент nT.
e
Затем блок деления 23 делит разность dPS3 на значение давления PS3 в момент (n-1)T.
Выходная данная dPS3/PS3 бока деления 23 поступает затем в компаратор 24. Он сравнивает значение dPS3/PS3 с заранее определенным порогом S(PS3) и выдает на выходе 1, если dPS3/PS3>S(PS3), в противном случае он выдает 0.
Это выходное значение затем комбинируют при помощи логического порта И 25 с показателем фазы φ1, чтобы получить показатель i2. Так, если и выходное значение, и показатель фазы φ1 равны 1, активируют показатель i2 (i2=1). Иначе говоря, обнаруживают помпаж во время рабочей фазы “sub-idle” турбореактивного двигателя. В противном случае i2 деактивируют (i2=0).
На Фиг. 6 показаны средства 30, предназначенные для оценки показателя i3, то есть для обнаружения присутствия (или отсутствия) сбоя турбореактивного двигателя. Для этого средства 30 используют вышеупомянутую скорость N2 вращения вала компрессора высокого давления.
В частности, средства 30 содержат дифференциатор 31, выполненный с возможностью оценки производной относительно времени dN2/dt. Этот дифференциатор 31 является, например, дифференциатором, использовавшимся ранее для определения аномального ускорения в фазе φ2. В данном случае речь идет о фильтре порядка 1, содержащем:
e
- блок задержки 31А, выдающий скорость N2 в момент времени (n-1)T,
e
e
- блок вычитания 31В, позволяющий вычитать из скорости N2 в момент nT скорость N2 в момент (n-1)T, полученную от элемента 31А;
е
- блок деления 31С, выполненный с возможностью деления разности, полученной на выходе блока 31В, на период дискретизации Т.
Затем значение производной dN2/dt поступает на вход компаратора 32. Он сравнивает значение dN2/dt с заранее определенным отрицательным порогом S3(dN2) и активирует показатель i3, если dN2/dt≤S3(dN2) (i3=1), в противном случае он его деактивирует (i3=0).
Как показано на Фиг. 3, оцененные таким образом показатели i1, i2 и i3 затем комбинируют (этап Е82), используя заранее определенные взвешенные комбинации. В представленном примере взвешенные комбинации основаны на комбинаторной логике. Однако в варианте можно предусмотреть и другие типа взвешивания, например, при помощи вероятностей и т.д.
Пример оценки двух взвешенных комбинаций С1 и С2 представлен на Фиг. 7. Согласно этому примеру:
- комбинацию С1 получают посредством применения логического порта И 41 между показателями i1 и i2.
- комбинацию С2 получают посредством применения логического порта ИЛИ 42 между показателями i1 и i3.
После оценки взвешенные комбинации используют для решения об обновлении порога S(EGT) (этап Е83), иначе говоря, чтобы повторно оценить понижение порога S(EGT), если активированы другие показатели вращающегося срыва потока.
В примере, представленном на Фиг. 6, применяют следующие правила:
- Если С1=1: Порог S(EGT) понижают на коэффициент β1 (например, β1=85%); и
- Если С1=0 и С2=1: Порог S(EGT) понижают на коэффициент β2 (например, β2=50%); и
- Если С1=0 и С2=0:
Порог S(EGT) сохраняют без изменения.
Применение этих правил для повторной оценки порога S(EGT) осуществляют при помощи:
- блоков умножения 43 и 44, предназначенных для умножения порога S(EGT) соответственно на коэффициенты β1 и β2; и
- блоков принятия решения (или switch) 45 и 46, предназначенных соответственно для выбора входа V+ (то есть выхода блоков умножения 43 и 44), когда С2=1, соответственно С1=1, и входа V-, когда С2=0, соответственно С1=0.
Очевидно, что можно предусмотреть и другие комбинации.
Обновленный порог S(EGT) используют для обнаружения вращающегося срыва потока на этапе Е70, как было указано выше. Таким образом, в присутствии других поведенческих сигнатур, связанных с вращающимся срывом потока, обнаружение происходит быстрее.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
N2r
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
12000
Vref(N2r)
1,04
1,12
1,2
1,28
1,35
1,45
1,55
1,7
1,95
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
N2r
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
12000
S0(N2r)
0,025
0,04
0,06
0,11
0,11
0,11
0,11
0,11