СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ДВУХКОНТУРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к авиационной технике и может быть использована для управления работой двухконтурных газотурбинных двигателей (ГТД) летательных аппаратов за счет регулирования частоты вращения ротора низкого давления ГТД.
Известна система управления ГТД, содержащая два контура регулирования. Первый контур регулирования включает датчик частоты вращения, связанный с основным регулятором частоты вращения, выход которого связан с сервоприводом топливорегулирующего клапана. Данный контур также содержит задатчик основного регулятора. Второй контур регулирования осуществляет регулирование температуры газа перед турбиной и содержит датчик температуры, связанный с первым входом регулятора, второй вход которого связан с задатчиком предельной температуры. Система также содержит второй датчик частоты вращения, выход которого связан с первым входом дополнительного регулятора частоты вращения, второй вход которого связан с выходом нелинейного звена, связанным с выходом регулятора технологического параметра. Выходы регуляторов частоты вращения связаны с входами селектора, выход селектора соединен с первым входом сумматора, второй вход которого связан с датчиком обратной связи по положению топливорегулирующего органа.
В процессе работы системы выходной сигнал регулятора, представляющий разность между выходным сигналом нелинейного звена и сигналом датчика частоты вращения, проходит через селектор (пока предельное значение температуры не достигнуто), поступает на сумматор, где суммируется с сигналом датчика обратной связи и поступает на вход задатчика, который управляет регулятором частоты вращения сервопривода. При достижении предельной температуры газа перед турбиной, на селектор подается и сигнал с регулятора температуры, который подается на селектор, как и сигнал частоты вращения, управляющий сигнал с селектора поступает на сумматор и, далее - на регулятор и управление топливорегулирующего клапана. (см. а.с. СССР №591024, кл. F02C 9/00, 1979 г.)
В результате анализа известной системы управления ГТД необходимо отметить, что она осуществляет регулирование ГТД по двум параметрам - частоте вращения ротора и температуре газа перед турбиной. Однако данная система весьма сложна, обладает довольно большой инерционностью, что не позволяет эффективно использовать ее при работе ГТД на переходных предельных режимах.
т
гф
π
π
Известен способ отладки ГТД с форсажной камерой, реализуемый системой, которая оснащена датчиком температуры (T)газов за турбиной, датчиком перепада давления газов на турбине (т), автоматом управления (F) по сигналу (т), датчиком положения гидроцилиндров сопла, автоматом подачи форсажного топлива с настроечным элементом.
Система также содержит пульт управления, связанный входами с поименованными выше датчиками. Пульт включает преобразователь сигналов, вычислитель, соединенный с преобразователем, элемент сравнения, связанный с выходами преобразователя и вычислителя.
т
При функционировании системы на вход преобразователя сигналов поступают сигналы с датчика температура (T) газов за турбиной и с датчика положения гидроцилиндров сопла. На выходе преобразователя сигналов формируется единый цифровой код сигналов датчиков, который поступает на вход вычислителя. Сигналы с выхода преобразователя сигналов поступают в вычислительное устройство для расчета потребного значения площади реактивного сопла по формуле
,
гф
гм
т
фзфд
где F и F - площади реактивного сопла на форсажном и бесфорсажном режимах соответственно, Т и Т - замеренное и заданное значение температуры газа за турбиной. При отладке двухконтурных газотурбинных двигателей, потребное значение площади реактивного сопла определяют по формуле
,
2т
где T - температура газов за турбиной после смешения обоих потоков.
Сигнал с выхода вычислительного устройства, характеризующий заданную площадь реактивного сопла поступает на вход элемента сравнения, где формируется управляющий сигнал.
т
гф
Δ
При работе двигателя в форсажном режиме на вход преобразователя сигналов поступают сигналы с датчика температура (Т) газов сопла и датчика положения гидроцилиндров сопла. Преобразованный сигнал с выхода преобразователя сигналов поступает на вход элемента сравнения, где он сравнивается с расчетным значением (F). На выходе элемента сравнения формируется сигнал F, по которому меняется настройка автомата подачи топлива за счет изменения настроечного элемента.
гф
Δ
Команда для изменения настройки автомата подается (в ручном или автоматическом режиме) до тех пор, пока проходная площадь реактивного сопла не станет равной потребному значению F (F=0).
(см. патент РФ №2383001, кл. F01M 15/00, 2010 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известной системы необходимо отметить, что она довольно инерционна, что не обеспечивает оперативного эффективного регулирования ГТД, особенно на переходных режимах его работы.
Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка системы управления частотой вращения ротора низкого давления двухконтурного ГТД, обеспечивающего повышение оперативности управления и экономичности ГТД по топливу, за счет однозначного регулирования скольжения частот вращения роторов низкого и высокого давлений:
квд
кид
руд
вх
S=n/n=f(α, Т), где:
руд
α - положение рычага управления двигателем;
квд
n - частота вращения ротора высокого давления;
кид
n - частота вращения ротора низкого давления;
вх
Т - температура воздуха на входе в двигатель.
Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что в системе управления частотой вращения ротора низкого давления двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащей исполнительный механизм, связанный через регулятор с выходом элемента сравнения, а также программное устройство, новым является то, что система снабжена сумматором и вторым программным устройством, входы первого и второго программных устройств имеют возможность соединения соответственно с датчиком температуры воздуха на входе в двигатель и с датчиком положения рычага управления двигателем, выходы программных устройств соединены с входами сумматора, выход которого связан со вторым входом элемента сравнения, первый вход которого имеет возможность соединения с датчиком частоты вращения ротора низкого давления.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы управления частотой вращения ротора низкого давления двухконтурного ГТД.
Система управления ГТД 1 содержит исполнительный механизм 2, который может быть выполнен различным образом, например, в виде гидроцилиндра или шагового электромотора. Механизм 2 связан с регулятором 3. Регулятор предназначен для выработки управляющего сигнала и подачи его на исполнительный механизм. В качестве регулятора используется стандартный гидромеханический блок. Вход регулятора 3 связан с выходом элемента сравнения 4, первый вход которого имеет возможность связи с датчиком частоты вращения ротора низкого давления (n).
Система оснащена первым 5 и вторым 6 программными устройствами, а также сумматором 7, выход которого связан со вторым входом элемента сравнения 4.
вх
руд
Входы первого 5 и второго 6 программных устройств имеют возможность соединения соответственно с датчиком температуры воздуха (Т) на входе в ГТД и с датчиком положения рычага (не показан) управления двигателем (РУД) (α).
1
вх
Первое программное устройство 5 предназначено для формирования программного значения частоты вращения ротора низкого давления (n°) в зависимости от внешних условий (T).
2
руд
Второе программное устройство 6 предназначено для формирования программного значения частоты вращения ротора низкого давления (n°) в зависимости от положения рычага управления двигателем (α).
Первое 5 и второе 6 программные устройства могут быть выполнены различным известным образом, например, в виде профилированных кулачков, рабочие профили которых обеспечивают получение заданных характеристик на выходе.
Выходы программных устройств 5 и 6 связаны с входами сумматора 7, выход которого, как уже упоминалось выше, связан со вторым входом элемента сравнения 4.
Система управления частотой вращения ротора низкого давления двухконтурного ГТД функционирует следующим образом.
Перед эксплуатацией ГТД его программные устройства 5 и 6 настраивают на заданные параметры:
1
вх
вх
- в программном устройстве 5 реализуется заданная зависимость n°=f(T), обеспечивающая желаемое значение частоты вращения ротора низкого давления в зависимости от внешних условий, характеризуемых значением T, выбираемых из условия обеспечения высотно-скоростных характеристик ГТД;
2
руд
руд
- в программном устройстве 6 реализуется заданная зависимость n°=f(α), обеспечивающая желаемое значение частоты вращения ротора низкого давления в зависимости от внешних условий, характеризуемых значением α, выбираемых из условия обеспечения дроссельных характеристик ГТД.
2
вх
2
руд
Оптимальные значения n°=f(T) и n°=f(α) определяются на этапе проектирования ГТД и могут уточняться при его испытании и эксплуатации.
вх
В процессе работы ГТД параметры Т, n с датчиков поступают на:
вх
Т - на программное устройство 5;
n - на первый вход элемента сравнения 4;
руд
сигнал, характеризующий положение рычага управления двигателя (α) - на программное устройство 6.
1
2
На первом программном устройстве 5 формируется программный управляющий сигнал частоты вращения ротора низкого давления в зависимости от температуры воздуха на входе в ГТД (n°). На втором программном устройстве 6 формируется программный управляющий сигнал частоты вращения ротора низкого давления (n°) в зависимости от положения РУД.
1
2
Сформированные в программных устройствах 5 и 6 сигналы (n°) и (n°) поступают на входы сумматора 7, в котором формируется программный управляющий сигнал (n°) и подается на второй вход элемента сравнения 4, где сравнивается с сигналом (n) датчика частоты вращения ротора низкого давления.
c
Выходной управляющий сигнал с выхода элемента сравнения 4 (Δn) поступает в регулятор 3, где формируется сигнал требуемого положения исполнительного механизма 2. С регулятора 3 управляющий сигнал (F) поступает на исполнительный механизм 2 исполнительный орган которого регулирует соответствующим образом скорость вращения ротора низкого давления.
c
Система отрегулирована таким образом, что на установившихся режимах работы ГТД сигналы (n) (n°) компенсируют друг друга и сигнал (F) равен нулю. В противном случае исполнительный механизм регулируют таким образом, чтобы данное значение стремилось к нулю.
Система обеспечивает оптимальное соотношение частот вращения ротора высокого давления и ротора низкого давления и, тем самым, обеспечивает высокую экономичность ГТД по топливу на дроссельных режимах и в полете, а также обеспечивает быстрое перекрывание (компенсацию) возмущения по газовоздушному тракту за счет применения управления от РУД.