Способ регулирования авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя
AERO BYPASS TURBOFAN ENGINE CONTROL METHOD

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах автоматического управления двухвальными турбореактивными двигателями с регулируемыми направляющими компрессора низкого давления.
Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является известный способ управления газотурбинным двигателем, в котором измеряют частоту вращения ротора низкого давления (РНД), положение рычага управления двигателем РУД, температуру воздуха на входе в двигатель, температуру газов за турбиной низкого давления, регулируют частоту вращения ротора низкого давления, дозируют расход топлива в камеру сгорания, регулируют величину угла установки входных направляющих аппаратов компрессора низкого давления.
В известном устройстве поддерживают заданное значение одного из параметров двигателя (частоту вращения РНД, РВД, температуру за турбиной) посредством изменения расхода топлива.
Система, реализующая приведенный выше способ, содержит последовательно соединенные: блок датчиков температуры газов за турбиной низкого давления (дат. Ттв), частоты вращения ротора низкого давления (дат. Npнд), температуры воздуха на входе в двигатель (дат. Твх), задатчики параметров ГТД (задатчик частоты вращения РНД (Задат. Npнд), задатчик температуры за турбиной (Задат. Ттв)), блоки регуляторов частоты вращения РНД (рег-р Npнд) и температуры за турбиной (рег-р Ттв), селектор минимума (MIN) и устройство управления расходом топлива (УУ Gт).
В процессе работы, в зависимости от измеренной датчиком Твх температуры на входе ГТД, задатчиками формируются соответственно заданные Npнд и Tтв. Блоки регулятора, сравнивая заданные значения с измеренными датчиками, рассчитывают необходимое воздействие на дозатор расхода топлива для поддержания каждого из параметров соответственно. Селектор минимума выбирает минимальное воздействие и подает его на дозатор расхода топлива, который обеспечивает изменение расхода топлива для поддержания заданного задатчиком значения.
/RU 115832 U1, «НЛП «Темп» им. Ф. Короткова, 10.05.2012/
Если в области максимальных режимов двигателя есть ограничения на диапазон частот вращения компрессора, например, из-за резонансов лопаток, такой способ управления не является оптимальным, так как не позволяет поддерживать частоту вращения ниже или выше области резонанса. Снижение частоты вращения нежелательно из-за потери тяги, возможность повышения частоты вращения ограничена предельно допустимой температурой газов за турбиной.
Задачей предлагаемого изобретения является исключение работы двигателя в зоне резонанса и повышение таким образом ресурса работы при сохранении тяги.
Ожидаемый технический результат заключается в достижении максимального значения тяги при наличии ограничений на значения регулируемых параметров и/или управляющих воздействий.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в способе регулирования авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя, включающем измерение частоты вращения ротора низкого давления, температуры воздуха на входе в двигатель и температуры газов за турбиной низкого давления, регулирование частоты вращения ротора низкого давления, дозирование расхода топлива в камеру сгорания и изменение площади критического сечения реактивного сопла, согласно изобретению дополнительно измеряют давление газа за турбиной низкого давления, определяют отношение давлений за компрессором и за турбиной низкого давления, для каждого значения температуры воздуха на входе в двигатель устанавливают нижнее и верхнее предельно допустимые значения частоты вращения ротора низкого давления при допустимом уровне напряжений в рабочих лопатках, а регулирование частоты вращения ротора низкого давления производят путем регулирования расхода топлива в камеру сгорания и изменения площади критического сечения реактивного сопла (PC), определяемой по отношению давлений за компрессором и за турбиной низкого давления, при этом регулирование частоты вращения производят до достижения частоты вращения ротора низкого давления предельно допустимых значений.
Допустимый уровень напряжений - такой уровень напряжений, при котором возможна кратковременная работа в течение 5-10 с, или суммарное время работы за ресурс двигателя не должно превышать 3-5 минут.
Частота вращения ротора низкого давления двигателя определяется расходом топлива. Ограничение по температуре задает максимально допустимое значение расхода топлива и, как следствие, максимальное значение частоты вращения РНД. Достижение заданной частоты вращения выше зоны резонанса достигается за счет управления площадью критического сечения реактивного сопла. Номинальное положение створок сопла, определяющих площадь критического сечения, формируется в зависимости от заданного значения отношения давления газа за компрессором к давлению газа за турбиной низкого давления (степени расширения давления на турбине - Пт), которое зависит от температуры на входе в двигатель. При открытии створок PC относительно номинального значения частота вращения повышается. Необходимо определить величину открытия створок PC от номинального положения, которая обеспечит повышение частоты вращения до заданного значения. Рассчитать эту величину для всех условий работы с учетом изменения характеристик по мере выработки ресурса двигателя невозможно. Поэтому задача решается дополнительным регулятором, который открывает створки PC до достижения заданного значения частоты вращения.
Сущность заявленного изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 представлена схема системы регулирования авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя.
На фиг. 2 представлена зависимость заданного значения частоты вращения от температуры на входе в двигатель.
Система регулирования авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя (фиг. 1) оснащена датчиками измерения параметров его работы, задатчиками измеряемых параметров и регуляторами параметров ГТД:
1 - газотурбинный двигатель,
2 - датчик температуры газов за турбиной низкого давления,
3 - датчик частоты вращения ротора низкого давления,
4 - датчик температуры воздуха на входе в двигатель,
5 - датчик давления газа за компрессором (Pk),
6 - датчик давления газа за турбиной низкого давления (Ртв),
7 - задатчик температуры газов за турбиной низкого давления,
8 - задатчик частоты вращения ротора низкого давления,
9 - задатчик степени расширения газов на турбинах (отношение давления газа за компрессором к давлению газа за турбиной низкого давления),
10 - ограничитель температуры газов (Тг) за турбиной низкого давления,
11 - регулятор частоты вращения ротора низкого давления,
12 - управляемый ключ,
13 - суммирующий усилитель,
14 - компаратор,
15 - регулятор Пт степени расширения газов на турбинах,
16 - селектор минимума,
17 - дозатор топлива,
18 - привод створок PC (ДРС).
Заданный режим работы двигателя поддерживается регулятором частоты вращения компрессора низкого давления 11, который сравнивает заданное задатчиком 8 и измеренное датчиком 3 значения частоты вращения и формирует управляющий сигнал на дозатор топлива 17.
Задатчик 8 формирует заданное значение в зависимости от измеренной датчиком 4 температуры на входе в двигатель ниже или выше области резонанса. Зависимость заданного значения частоты вращения от температуры на входе в двигатель выбирается расчетным путем из условия достижения оптимальных параметров двигателя, характер зависимости представлен на фиг. 2.
Ограничитель температуры газов за турбиной 10 сравнивает заданное задатчиком 7 и измеренное датчиком 2 значения температуры газов за турбиной и формирует выходной сигнал управления дозатором на снижение расхода топлива при превышении максимально допустимого значения температуры газов. Снижение расхода происходит до тех пор, пока температура не снизится до допустимого значения.
Селектор минимума 16 выбирает меньшее из выходных сигналов регулятора частоты вращения 11 и ограничителя температуры газов 10 значение и подает его на вход дозатора топлива 17. При этом, пока температуры газов за турбиной ниже заданного задатчиком 7 максимально допустимого значения, выходной сигнал селектора минимума 16 равен выходу регулятора частоты вращения 11. При этом обеспечивается поддержание заданного задатчиком частоты вращения 8 значение частоты. При достижении максимального значения температуры газов селектор минимума выбирает выходной сигнал ограничителя температуры газов 10, и частота вращения начинает снижаться ниже заданного задатчиком частоты 8 значения.
Задатчик Пт формирует заданное значение положения створок PC в зависимости от измеренной датчиком 4 температуры на входе в двигатель. Регулятор Пт 15 по измеренному датчиком 5 давлению газа за компрессором и датчиком 6 давлению газа за турбиной низкого давления рассчитывает фактическое значение Пт и сравнивает его с заданным задатчиком Пт 9 и формирует сигнал управления на привод створок PC 18 для поддержания заданного значения перепада.
Если выход селектора минимума 16 равен выходу регулятора частоты вращения 11, входы компаратора 14 равны, и его выходной сигнал равен логическому нулю. При этом ключ 12 разомкнут, и выход суммирующего усилителя 13 равен его входу. При этом створки PC устанавливаются в положение, формируемое задатчиком 9.
Если температура газов за турбиной достигла максимально значения и выход селектора минимума 16 равен выходу ограничителя температуры 10, разность выходных сигналов селектора минимума 16 и регулятора частоты вращения 11 становится положительной. При этом на выходе компаратора 14 формируется логический сигнал, равный 1. Этот сигнал поступает на управляющий вход управляемого ключа 12, который замыкается и подает положительный выходной сигнал регулятора частоты вращения на суммирующий вход суммирующего усилителя 13. Заданное значение Пт увеличивается, и регулятор положения 15 открывает створки PC. В результате частота вращения компрессора повышается до тех пор, пока не достигнет заданного задатчиком частоты 8 значения.
Предлагаемый способ регулирования позволяет исключить работу двигателя в зоне резонанса, достичь максимальное значение тяги при наличии ограничений на значения регулируемых параметров и/или управляющих воздействий.