СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАСХОДОМ ТОПЛИВА В МНОГОКОЛЛЕКТОРНУЮ КАМЕРУ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
CONTROL METHOD OF FUEL FLOW TO MULTI-MANIFOLD COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах (САУ) автоматического управления газотурбинными двигателями (ГТД).
Известен способ управления расходом топлива в камеру сгорания (КС) ГТД, заключающийся в том, что подают в КС двигателя постоянный расход топлива - расход розжига, определяемый для каждого типа двигателей расчетно-экспериментальным путем (Черкасов Б.А. «Автоматика и регулирование ВРД», М., «Машиностроение», 1965 г., с.324-328).
Недостатком известного способа является его низкая эффективность с точки зрения обеспечения требуемых запасов газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора и, как следствие, невозможность использования для управления современными ГТД, а именно турбореактивными двигателями с высокой степенью двухконтурности (ТРДД), такими, например, как двигатели ПС-90А и ПС-90А2.
Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности является способ управления расходом топлива в двухколлекторную КС ГТД, заключающийся в том, что измеряют параметры двигателя, параметры воздушного потока на входе в двигатель и положение рычага управления двигателем (РУД), в соответствии с измеренными параметрами и положением РУД по заранее определенной зависимости определяют потребный суммарный расход топлива в КС двигателя, в зависимости от потребного суммарного расхода топлива в КС определяют заданное положение дозатора, измеряют фактическое положение дозатора и осуществляют управление расходом топлива с помощью изменения положения дозатора и поддержания перепада давлений топлива на дозаторе за счет изменения производительности топливного насоса, а распределение топлива между коллекторами осуществляют с помощью агрегата распределения топлива (APT) (Раздолин М.В., Сурнов Д.Н. «Агрегаты ВРД», М., «Машиностроение», 1973 г., с.232-235, 352).
Недостатком этого способа является то, что он практически неприменим для КС с количеством коллекторов больше двух. Это вызвано тем, что диапазон работы любого дозатора ограничен по расходу топлива через дозатор, a APT для управления расходом топлива через коллектор практически непригоден.
Кроме того, наличие клапанов поддержания перепада давлений (КППД) на каждом дозаторе при увеличении количества дозаторов снижает надежность работы САУ и, как следствие, снижает надежность работы двигателя и безопасность летательного аппарата (ЛА).
Снижение надежности обусловлено следующими факторами.
Сам по себе КППД является достаточно сложным гидромеханическим устройством с реальной интенсивностью отказов. Увеличение количества КППД приведет к увеличению суммарной интенсивности отказов устройства, а значит, к снижению его наработки на отказ, т.е. снижению надежности. Кроме того, отказ КППД может привести к неконтролируемому изменению расхода топлива через дозатор, а значит, и в КС ГТД, что снижает надежность работы двигателя и безопасность ЛА. Увеличение количества КППД повышает вероятность этого события.
Следует также отметить, что каждый КППД по своей сути является регулятором расхода топливного насоса (ТН). Наличие нескольких управляющих воздействий на один объект регулирования снижает устойчивость работы ТН и может привести к потере его работоспособности, что тоже снижает надежность работы двигателя и безопасность ЛА.
Целью изобретения является повышение надежности ГТД и безопасности ЛА.
Поставленная цель достигается тем, что в способе управления расходом топлива в многоколлекторную КС ГТД, заключающемся в том, что измеряют параметры двигателя, параметры воздушного потока на входе в двигатель и положение рычага управления двигателем (РУД), в соответствии с измеренными параметрами и положением РУД по заранее определенной зависимости определяют потребный суммарный расход топлива в КС двигателя, дополнительно распределение топлива между коллекторами осуществляют с помощью дозаторов, количество которых соответствует количеству топливных коллекторов КС, при этом в зависимости от потребного расхода топлива в первый топливный коллектор КС определяют заданное положение первого дозатора, измеряют фактическое положение первого дозатора и осуществляют управление расходом топлива в первый коллектор с помощью изменения положения первого дозатора и поддержания перепада давлений топлива на первом дозаторе за счет изменения производительности топливного насоса, входы остальных дозаторов гидравлически соединяют со входом первого дозатора, заданное положение остальных дозаторов определяют, исходя из потребного расхода топлива в соответствующий топливный коллектор КС, измеряют фактическое положение остальных дозаторов и осуществляют управление расходом топлива с помощью изменения положения остальных дозаторов, при этом заданное положение остальных дозаторов корректируют в зависимости от гидравлического сопротивления в тракте подачи топлива после первого дозатора и гидравлического сопротивления в тракте подачи топлива после соответствующего дозатора.
На чертеже представлена схема устройства, реализующая заявляемый способ.
Устройство содержит последовательно соединенные блок 1 датчиков (БД) параметров двигателя и воздуха на входе в двигатель, электронный регулятор 2 (ЭР) режимов работы двигателя, блок электрогидропреобразователей (ЭГП) 3. к выходу блока 3 подключены управляемые входы первого дозатора 4 топлива и остальных дозаторов 5 (по одному на каждый топливный коллектор КС), каждый дозатор 4 и 5 через свой датчик 6 положения подключен к БД 1, «расходные» входы дозаторов 4 и 5 подключены к «расходному» выходу топливного насоса (ТН) 7, «расходные» вход и выход первого дозатора 4 гидравлически подключены к КППД 8, управляющий выход КППД 8 подключен к управляемому входу ТН 7.
Устройство работает следующим образом.
По измеренным с помощью БД 1 параметрам ЭР 2 формирует по заранее определенной зависимости потребный суммарный расход топлива в КС двигателя
где
Gт зад. - потребный суммарный расход топлива,
Твх., Рвх. - температура и давления воздуха на входе в двигатель;
α руд - положение РУД;
nк, nв - частота вращения компрессора и вентилятора двигателя;
Тг - температура газов за турбиной турбокомпрессора двигателя;
Рк - давление воздуха за компрессором двигателя.
Далее ЭР 2 потребный суммарный расход топлива распределяет между топливными коллекторами (не чертеже показаны), количество и расходные характеристики которых заносятся в энергонезависимую память ЭР 2 в процессе приемо-сдаточных испытаний (ПСИ) двигателя.
В зависимости от потребного расхода топлива в первый топливный коллектор КС ЭР 2 с помощью расходной характеристики первого дозатора 4, которая заносится в энергонезависимую память ЭР 2 в процессе сдаточных испытаний двигателя, определяет заданное положение первого дозатора 4, сравнивает с измеренным с помощью датчика 6 и БД 1 фактическим положением первого дозатора 4 и осуществляет управление расходом топлива в первый коллектор, изменяя с помощью ЭГП 3 положение первого дозатора 4. Поддержание перепада давлений топлива на первом дозаторе 4 обеспечивается с помощью КППД 8 за счет изменения производительности ТН 7.
Одновременно ЭР 2 определяет заданное положение остальных дозаторов 5, исходя из потребного расхода топлива в соответствующий топливный коллектор КС и расходной характеристики соответствующих дозатора 5. Расходные характеристики всех дозаторов 5 заносятся в энергонезависимую память ЭР 2 в процессе ПСИ двигателя.
Далее с помощью датчиков 6 и БД 1 ЭР 2 измеряет фактическое положение остальных дозаторов 5 и осуществляет управление расходом топлива, изменяя с помощью ЭГП 3 положения остальных дозаторов 5.
При этом в процессе управления заданное положение остальных дозаторов 5 корректируется в зависимости от гидравлического сопротивления в тракте подачи топлива после первого дозатора 4 и гидравлического сопротивления в тракте подачи топлива после соответствующего дозатора 5.
Т.к. «расходные» входы остальных дозаторов 5 гидравлически соединены с «расходным» входом первого дозатора 4, корректирующее воздействие на i-дозатор рассчитывается, исходя из следующих соображений.
Как известно (см., например, Моль Р. «Гидропневмоавтоматика», М., «Машиностроение», 1975 г., с.236-237), для любого дозатора можно применить зависимость «баланса расходов»:
где
Fэкв.i - площадь условного проходного сечения, гидравлическое сопротивление которого соответствует суммарному гидравлическому сопротивлению i-го тракта подачи топлива в КС,
Fд.i - площадь проходного сечения i-го дозатора,
Fкi - площадь условного проходного сечения, гидравлическое сопротивление которого соответствует суммарному гидравлическому сопротивлению труб подвода топлива к i-му топливному коллектору и гидравлическому сопротивлению самих форсунок i-го топливного коллектора.
Поскольку конструктивно «расходные» входы всех дозаторов 4 и 5 гидравлически соединены, то на входе любого i-го тракта подачи топлива в КС будет давление, создаваемое ТН 7 (Рн), а на выходе - давление газа в КС (Р г кс). Учитывая это, можно принять:
где
Gт.i - расход топлива через i-ый дозатор в i-ый коллектор,
Gт.1 - расход топлива через первый дозатор в первый коллектор,
K1 - коэффициент отношений расходов топлива через i-ый дозатор в i-ый коллектор и через первый дозатор в первый коллектор,
Fэкв.i - площадь условного проходного сечения, гидравлическое сопротивление которого соответствует суммарному гидравлическому сопротивлению i-го тракта подачи топлива в КС,
Fэкв.1 - площадь условного проходного сечения, гидравлическое сопротивление которого соответствует суммарному гидравлическому сопротивлению тракта подачи топлива в КС через первый дозатор и первый коллектор.
Из (3) можно рассчитать
где
Fэкв.i - площадь условного проходного сечения, гидравлическое сопротивление которого соответствует суммарному гидравлическому сопротивлению i-го тракта подачи топлива в КС,
K1 - коэффициент отношений расходов топлива через i-ый дозатор в i-ый коллектор и через первый дозатор в первый коллектор,
Fэкв.1 - площадь условного проходного сечения, гидравлическое сопротивление которого соответствует суммарному гидравлическому сопротивлению тракта подачи топлива в КС через первый дозатор и первый коллектор.
Используя зависимость (1), можно рассчитать площадь проходного сечения i-го дозатора Fдi:
где
Fд.i - площадь проходного сечения i-го дозатора,
Fэкв.i - площадь условного проходного сечения, гидравлическое сопротивление которого соответствует суммарному гидравлическому сопротивлению i-го тракта подачи топлива в КС,
Fкi - площадь условного проходного сечения, гидравлическое сопротивление которого соответствует суммарному гидравлическому сопротивлению труб подвода топлива к i-му топливному коллектору и гидравлическому сопротивлению самих форсунок i-го топливного коллектора.
Подставляя в (5) данные выражения (4), можно рассчитать площадь требуемого проходного сечения i-го дозатора Fдi с учетом гидравлического сопротивления в тракте подачи топлива после первого дозатора и гидравлического сопротивления в тракте подачи топлива после i-го дозатора.
Расчет Fдi выполняется ЭР 2 с использованием наперед заданных величин, хранящихся в энергонезависимой памяти ЭР 2, и величин, рассчитываемых по измеряемым параметрам по следующей зависимости:
где
Fд.i - требуемая площадь проходного сечения i-го дозатора,
Fкi - площадь условного проходного сечения, гидравлическое сопротивление которого соответствует суммарному гидравлическому сопротивлению труб подвода топлива к i-му топливному коллектору и гидравлическому сопротивлению самих форсунок i-го топливного коллектора (заносится в память ЭР 2 в процессе ПСИ двигателя).
K1 - коэффициент отношений расходов топлива через i-ый дозатор в i-ый коллектор и через первый дозатор в первый коллектор (рассчитывается в ЭР 2 по измеренным значениям положений i-го дозатора и первого дозатора),
Fэкв.1 - площадь условного проходного сечения, гидравлическое сопротивление которого соответствует суммарному гидравлическому сопротивлению тракта подачи топлива в КС через первый дозатор и первый коллектор (заносится в память ЭР 2 в процессе ПСИ двигателя).
Далее ЭР 2 с использованием проливочной характеристики i-го дозатора, хранящейся в его энергонезависимой памяти после занесения туда в процессе ПСИ двигателя, определяет требуемое положение i-го дозатора:
где
Хдi треб. - требуемое положение i-го дозатора,
Fд.i - требуемая площадь проходного сечения i-го дозатора.
После этого ЭР 2 вычисляет величину коррекции заданного положения i-го дозатора:
где
Δ Хдi - величина коррекции заданного положения i-го дозатора,
Хдi треб. - требуемое положение i-го дозатора,
Хдi - измеренное с помощью датчика 6 положение i-го дозатора.
Величина Δ Хдi используется ЭР 2 для коррекции заданного положения i-го дозатора.
где
Хдi зад. корр. - скорректированное заданное положение i-го дозатора,
Хдi зад. - заданное положение i-го дозатора, вычисленное ЭР 2 с помощью расходной характеристики i-го дозатора из потребного расхода топлива через i-ый коллектор,
Δ Хдi - величина коррекции заданного положения i-го дозатора.