Способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания
CONTROL METHOD OF GAS TURBINE ENGINE WITH AFTERBURNER COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах автоматического управления многорежимными газотурбинными двигателями (ГТД) с форсажной камерой сгорания (ФКС).
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания (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 (основной расход топлива) управляют расходом топлива в ФКС, по измеренным положению РУД и перепаду давлений газа на турбине двигателя управляют гидроцилиндрами привода створок реактивного сопла (PC), по измеренным положению РУД давлению воздуха за компрессором и температуре воздуха на входе в двигатель формируют заданное значение пускового расхода топлива в ФКС, подают в ФКС пусковой расход форсажного топлива, включают агрегат «огневой дорожки» и контролируют розжиг ФКС по измеренной температуре газа в ФКС, если розжиг ФКС не произошел, отключают пусковой расход форсажного топлива и агрегат «огневой дорожки», увеличивают заданное значение пускового расхода форсажного топлива на 5%, подают в ФКС пусковой расход форсажного топлива, включают агрегат «огневой дорожки» и контролируют розжиг ФКС по измеренной температуре газа в ФКС, если розжиг ФКС не произошел, уменьшают заданное значение пускового расхода форсажного топлива на 5%, подают в ФКС пусковой расход форсажного топлива, включают агрегат «огневой дорожки» и контролируют розжиг ФКС по измеренной температуре газа в ФКС, если розжиг ФКС не произошел, увеличивают заданное значение пускового расхода форсажного топлива на 10%, подают в ФКС пусковой расход форсажного топлива, включают агрегат «огневой дорожки» и контролируют розжиг ФКС по измеренной температуре газа в ФКС, если розжиг ФКС не произошел, уменьшают заданное значение пускового расхода форсажного топлива на 10%, подают в ФКС пусковой расход форсажного топлива, включают агрегат «огневой дорожки» и контролируют розжиг ФКС по измеренной температуре газа в ФКС, если розжиг ФКС не произошел, изменяют заданное значение пускового расхода форсажного топлива с дискретность 5%и повторяют всю процедуру запуска ФКС и делают это до тех пор, пока не будет зафиксирован розжиг ФКС, если изменение заданного расхода топлива превысило 50%, а розжиг ФКС не произошел, попытки запуска ФКС прекращают и проводят внеочередной регламент двигателя, (см. патент РФ №2432478, кл. F02C 9/34, 2006 г.).
В результате анализа данного способа необходимо отметить, что в выбранном способе управления контролируют запуск ФКС по измеренной температуре газа в ФКС. Температура газа в ФКС может достигать 2000 К, измерение таких высоких температур является технически сложной задачей. Например, при использовании термопар для измерения их необходимо защищать от высоких температур специальным продуваемым корпусом, который повышает время реакции термопары на изменение температуры в ФКС, что приводит к задержкам в формировании сигнала горения. Подобные задержки недопустимы на режимах разбега и взлета летательного аппарата. Работа термопар при высоких температурах снижает их ресурс, что приводит к росту эксплуатационных расходов.
Кроме того в выбранном способе управления контролируют запуск ФКС по сигналу ионизационного датчику пламени. Недостатком подобного решения является снижение надежности обнаружения горения ФКС по мере выработки ресурса т.к. подобные датчики, будучи установлены непосредственно в ФКС, «обгорают» и их чувствительность снижается.
Для обработки данного датчика необходимо обеспечить питание датчика напряжением 400 В с частотой 2000 Гц. Такие требования приводят к усложнению аппаратуры и увеличению ее габаритов, а так же снижению надежности.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности определения горения в ФКС, снижение веса двигателя за счет исключения датчиков пламени в ФКС и электрических проводов к ним, а также повышение скорости реакции системы в части обнаружения горения топлива в ФКС.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном способе управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания (ФКС), в котором по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором, положению рычага управления двигателем (РУД) управляют расходом топлива в ФКС, измеряют степень понижения давления газа на турбине двигателя, управляют агрегатом запуска ФКС, новым является то, что дополнительно измеряют площадь критического сечения реактивного сопла, формируют сигнал F, равный отношению степени понижения давления газа на турбине к измеренной площади критического сечения реактивного сопла, формируют сигнал Fотн, равный отношению отклонения текущего значения сигнала F от его среднего значения к его среднему значению, предварительно по результатам испытаний нескольких образцов двигателей определяют пороговые величины Fгр и Fгp2, соответствующие значениям сигнала Fотн при запуске и погасании форсажной камеры соответственно, при превышении сигналом Fотн наперед заданной положительной величины Fгр определяют горение в ФКС и отключают агрегат запуска ФКС, а при запущенной ФКС при снижении сигнала Fотн ниже наперед заданной отрицательной величины Fгр2 определяют погасание ФКС и прекращают подачу топлива в ФКС.
В частном случае реализации заявленного способа величину Fгр снижают при уменьшении давления за компрессором.
В частном случае реализации заявленного способа величину Fгр2 повышают по абсолютной величине по мере повышения степени форсирования двигателя.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы управления ГТД.
Система управления расходом топлива в ГТД содержит задатчик 1 топлива в ФКС 2, ко входам которого подключены датчик 3 температуры на входе в двигатель, датчик 4 положения РУД, датчик 5 давления воздуха за компрессором. Система так же содержит первый и второй делители 6 и 7; к первому входу первого делителя 6 подключен датчик 5 давления воздуха за компрессором, ко второму входу первого делителя 6 подключен датчик 8 давления газа за турбиной, выход первого делителя 6 связан с первым входом второго делителя 7, ко второму входу которого подключен датчик 9 площади критического сечения реактивного сопла. Выход второго делителя 7 подключен к фильтру 10 среднего значения и к первому входу сумматора 11, ко второму входу которого подключен выход фильтра 10, так же выход фильтра 10 связан со вторым входом третьего делителя 12, с первым входом которого связан выход сумматора 11. Выход делителя 12 подключен к первому компаратору 13 с порогом срабатывания Fгр и через первый ключ 14 ко второму компаратору 15 с порогом срабатывания Fгр2. Первый компаратор 13 подключен к управляющему входу первого ключа 14 и к управляющему входу второго ключа 16. Второй компаратор 15 подключен к одному из входов задатчика 1 топлива в ФКС 2.
Система содержит третий компаратор 17, к входу которого подключен датчик 4 положения РУД, а выход компаратора 17 через ключ 16 управляет включением агрегата 18 зажигания ФКС.
Для реализации способа управления по п. 2 к управляющему входу первого компаратора 13 должен быть подключен выход датчика 5 давления воздуха за компрессором.
Для реализации способа управления по п. 3 система должна дополнительно содержать четвертый делитель 19 и задатчик 20 значения положения РУД на режиме полного форсирования; выход четвертого делителя 19 должен быть подключен к управляющему входу второго компаратора 15, к первому входу четвертого делителя 19 должен быть подключен датчик 4 положения РУД, ко второму входу - задатчик 20.
Заявленная система может быть скомпонована из известных блоков и элементов.
В качестве датчиков могут быть использованы стандартные датчики контроля параметров работы ГТД, например, терморезистивные датчики температуры, резистивные датчики давлений, стандартные линейные дифференциальные трансформаторы для измерения линейных или угловых перемещений.
Используемые в системе делители, сумматоры и ключи являются стандартными.
Задатчик 1 расхода в форсажную камеру может реализовывать следующую известную зависимость:
В качестве фильтра 10 среднего значения может быть использован фильтр низкой частоты.
В качестве агрегата 18 зажигания ФКС может быть использован известный агрегат запуска огневой дорожки (АОД).
Компаратор 17 является стандартным с заранее выбранным порогом срабатывания.
Для реализации системы по п. 1 в качестве компараторов 13 и 15 могут быть использованы компараторы с заранее выбранными порогами срабатывания Fгр и Fгр2 соответственно. Для реализации системы по п. 2. компаратор 13 должен быть с переменным порогом срабатывания (Fгр), изменяющимся в зависимости от сигнала на его управляющем входе. Для реализации системы по п. 3. компаратор 15 должен быть с переменным порогом срабатывания (Fгр2), изменяющимся в зависимости от сигнала на его управляющем входе. Пороги срабатывания компаратора 13 - Fгр и компаратора 15 - Fгр2 могут быть выбраны расчетным путем или по результатам испытаний.
Для выбора величины Fгр регистрируется изменение сигнала Fотн в момент запуска форсажной камеры на различных режимах работы двигателя при испытаниях двигателя. Величина Fгр выбирается на (20…30)% ниже минимального значения сигнала, зафиксированного при успешных запусках форсажной камеры, что обеспечивает надежное обнаружение успешного запуска форсажной камеры. Для выбора величины Fгр2 прекращается подача топлива в форсажную камеру на различных режимах форсирования двигателя и регистрируется изменение сигнала Fотн. Величина Fгр2 выбирается не менее чем на 30% меньше по абсолютной величине, чем максимальное по абсолютной величине отклонение сигнала Fотн от нулевого значения.
Задатчик 20 является стандартным задатчиком постоянного значения.
Ключ 14 разомкнут, когда на его управляющем входе сигнал логического нуля.
Ключ 16 замкнут, когда на его управляющем входе сигнал логического нуля.
Система работает следующим образом.
Режим работы двигателя задается перемещением РУД (на фиг.не показан), положение которого измеряется датчиком 4. Порог срабатывания компаратора 17 выбран таким образом, что он срабатывает при переводе РУД в форсажную область.
Т
Делитель 6 по показаниям датчиков 5 давления воздуха за компрессором и датчика 8 давления газа за турбиной формирует значение степени понижения давления расширения газа на турбине (π).
Т
cp
c
Делитель 7 формирует сигнал F, равный отношению π к измеренной датчиком 9 площади критического сечения реактивного сопла (Sкр). Фильтр низкой частоты 10 фильтрует сигнал F, получая среднее значение сигнала - F. Сумматор 11 формирует отклонение сигнала F от его среднего значения F' как разность текущего значения сигнала F и его среднего значения F. Делитель 12 формирует сигнал Fотн, равный отношению отклонения текущего значения сигнала F от его среднего значения к его среднему значению.
cp
Fотн=F' / F.
Изменение сигнала F возможны в следующих случаях:
Т
1. Изменение π из-за изменения режима работы газогенератора,
2. Изменение количества горящего топлива в ФКС.
При этом система должна работать таким образом, чтобы компараторы 13 или 15 срабатывали только по второму пункту.
Т
Т
cp
Это достигается выбором порогов срабатывания компараторов и постоянной времени фильтра 10 среднего значения: изменение π из-за изменения режима работы газогенератора происходит сравнительно медленно, в несколько раз медленнее, чем изменение вследствие возгорания топлива в ФКС или изменения площади критического сечения реактивного сопла. Поэтому при таком изменении π значения сигнала F близко совпадает с его текущим значением F.
Т
При изменении площади критического сечения меняется давление газа за турбиной, а значит и степень понижения давления газа на турбине, но изменения Fотн не происходит, т.к. увеличение Sкр пропорционально уменьшению π.
Поэтому переходные процессы не связанные с горением топлива в ФКС не вызывают срабатывания компараторов 13 и 15.
При этом пока нет срабатывания компаратора 13, ключ 14 разомкнут и компаратор 15 отключен отделителя 12.
Когда РУД находится не в форсажной области задатчик 1 формирует нулевой суммарный расход топлива в ФКС 2, горения в ФКС 2 нет, при этом на выходе компаратора 17 в соответствии с выбранным порогом срабатывания формируется сигнал логического нуля и вне зависимости от состояния ключа 16 агрегат 18 зажигания ФКС выключен. Компаратор 13, формирует сигнал логического нуля, в соответствии с этим сигналом ключ 16 замкнут.
При переводе РУД в форсажную область задатчик 1 топлива в ФКС по сигналам с датчиков 3 (Твх), 4 (РУД) и 5 (Рк) в соответствии с зависимостью 1 начинает формировать расход топлива в ФКС 2 и посредством дозаторов (на фиг. не показаны) подает их в ФКС 2. При этом регулятор основного контура (на фиг. не показаны) поддерживают постоянную частоту вращения ротора и давление воздуха за компрессором.
Перевод РУД в форсажную область вызывает срабатывание компаратора 17, на его выходе формируется сигнал логической единицы, т.к. срабатывания компаратор 13 пока не произошло, ключ 16 замкнут и агрегат 18 зажигания начинает работать.
В момент заполнения топливного коллектора ФКС происходит распыл топлива и, т.к. агрегат зажигания 18 работает, топливо воспламеняется.
Т
Т
В момент воспламенения топлива в ФКС 2 происходит резкий рост давления газа за турбиной, измеряемого датчиком 8, вследствие чего падает степень понижения давления газа на турбине π. За время переходного процесса по параметру π изменение среднего значения Fcp не происходит, а мгновенное значение сигнала F падает. Возникает положительный сигнал Fотн, который приводит к срабатыванию первого компаратора 13, который замыкает первый ключ 14 и размыкает второй ключ 16.
При размыкании второго ключа 16 агрегат 18 зажигания отключается. Процесс запуска ФКС 2 завершается.
При замыкании ключа 14 выход делителя 12 подключается ко второму компаратору 15, который настроен на срабатывание в момент погасания ФКС 2.
Через время, определяемое постоянной времени фильтра 10, сигнал Fcp достигает значения сигнала F, что приводит к уменьшению ошибки F' и снижению сигнала Fотн до нуля.
Т.
Т
Если ФКС запущена, то второй компаратор 15 отслеживает состояние сигнала Fотн. В момент погасания топлива в ФКС 2 происходит резкое падение давления газа за турбиной, вследствие чего растет степень понижения давления газа на турбине πЗа время переходного процесса по параметру π изменение среднего значения Fcp не происходит, а мгновенное значение сигнала F растет. Возникает отрицательный сигнал Fотн, который приводит к срабатыванию второго компаратора 15. Компаратор 15 выдает сигнал логической единицы на задатчик 1, который прекращает дозирование топлива в ФКС 2.
Т
При изменении условий работы двигателя, например при снижении давления на входе, пропорционально падает и давление воздуха за компрессором. Т.к. регуляторы форсажного контура настроены на поддержание заданной степени понижения давления газа на турбине, параметр π и следовательно значение критерия F остаются постоянными. При снижении давления падает суммарный расход топлива в ФКС 2, что приводит к падению сигнала Fотн, и во время запуска ФКС 2 при постоянном пороге компаратора 13, он не сработает. Для обеспечения срабатывания компаратора 13 необходимо снижать порог его срабатывания в зависимости от величины снижения давления воздуха за компрессором ниже номинального значения, для чего на управляющий вход компаратор 13 подается сигнал с датчика 5. За номинальное значение принимается значение давления воздуха за компрессором на максимальном режиме работы двигателя при нормальных атмосферных условиях.
Подача топлива в ФКС осуществляется через несколько подключаемых последовательно топливных коллекторов. При этом у каждого из таких коллекторов существует минимальный расход топлива через него, при котором обеспечивается горение. При снижении степени форсирования суммарный расход топлива снижается плавно, а коллекторы отключаются дискретно. При этом может быть сформирован сигнал Fотн превышающий (по модулю) величину Fотн при отключении первого коллектора, что приведет к срабатыванию компаратора 15 и ложному прекращению дозирования топлива в ФКС, как при погасании ФКС.
Для парирования данного фактора необходимо повышать (по модулю) порог срабатывания компаратора 15 в зависимости от степени форсирования камеры. На режиме минимального форсирования компаратор 15 должен срабатывать при формировании Fотн при погасании 7…10% суммарного расхода топлива от полного форсированного режима, а на режиме полного форсирования, компаратор должен срабатывать при формировании Fотн при погасании 30%.
Степень форсирования двигателя задается перемещением РУД. Сигнал, характеризующий текущую степень форсирования формируется делителем, к первому входу которого подключен датчик 4 положения РУД, а ко второму - задатчик 20 значения РУД на режиме полного форсирования:
Кф=РУД/РУДПФ
Например, значение РУД на площадке малый газ составляет 15%, на площадке максимального режима работы - 65%, минимального форсированного режима - 70%, полного форсированного 100%. Режиму минимального форсирования будет соответствовать Кф=0,7, полному форсированию - Кф=1.
Таким образом, порог срабатывания компаратора 15 надо повышать (по модулю) при увеличении значения Кф выше 0.7 и устанавливать на максимальный уровень при Кф=1.
Данный способ управления позволяет исключить из системы управления двигателем датчики горения в ФКС, что позволяет упростить аппаратуру управления и контроля: исключить аналоговые каналы обработки этих датчиков, что приводит снижению веса системы управления и двигателя и повышает надежность системы.
Данный способ позволяет повысить надежность определения горения топлива в ФКС, т.к. он основан на газодинамических свойствах ГТД.
Так же следует отметить, что время реакции системы близко к времени возгорания или погасания топлива и не превышает 0,05 с.