СПОСОБ И СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА ПРИ ЗАПУСКЕ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
METHOD AND SYSTEM FOR CONTROL OF FUEL SUPPLY DURING GAS TURBINE STARTUP

Область техники
Изобретение относится к управлению подачей топлива к газотурбинной установке.
Уровень техники
Важным фактором при управлении подачей топлива к газотурбинной установке является понимание характеристик камеры сгорания в составе установки и параметров подачи топлива, а также окружающих условий (таких как температура и давление), в которых работает установка. Параметры подачи топлива могут существенно влиять на надежность запуска газотурбинной установки, такой, например, как вспомогательная силовая установка (ВСУ), особенно на предельных высотах и при предельных температурах окружающей среды.
Чтобы обеспечить выход на заданную кривую ускорения при запуске, может потребоваться управление (регулирование) подачей топлива к газотурбинной установке в пределах между заданными максимальным и минимальным расходами топлива. Соответствующие заданные пределы определяются с учетом характеристик и расположения топливных форсунок и параметров, при которых происходит срыв пламени в камере сгорания.
При этом обычная практика состоит в регулировании подачи топлива, основываясь на сигнале от датчика скорости, таким образом, чтобы обеспечить в установке заданное ускорение.
Раскрытие изобретения
Согласно изобретению способ управления подачей топлива при запуске газотурбинной установки включает управление подачей топлива к установке путем управления давлением подаваемого топлива и модулирование подачи топлива к установке, если температура выхлопных газов установки приближается к заданной температуре выхлопных газов, чтобы понизить температуру выхлопных газов установки до уровня ниже заданной температуры выхлопных газов.
При этом система управления подачей топлива для осуществления управления топливом при запуске газотурбинной установки согласно изобретению содержит: топливопровод к установке; топливный насос; топливную форсунку; датчик, детектирующий давление, под которым топливо подается к топливной форсунке; и контроллер, снабженный инструкциями по управлению подачей топлива к установке путем реагирования на поступающий от датчика давления топлива сигнал, характеризующий давление топлива, и модулирования подачи топлива к установке, если температура выхлопных газов установки превышает заданную температуру выхлопных газов, чтобы понизить температуру выхлопных газов установки до уровня ниже заданной температуры выхлопных газов.
Регулирование подачи топлива, основываясь на давлении топлива, позволяет обеспечить стабильный и воспроизводимый поток топлива, подаваемый к газотурбинной установке во время ее запуска. При этом способ согласно изобретению обеспечивает повышение точности регулирования подачи топлива при низкой скорости установки, когда нестабильность режима горения в камере сгорания представляет серьезную проблему, и удерживает температуру выхлопных газов в требуемых пределах. За счет этого достигается надежность запуска на больших высотах и при более низких предельных температурах.
Эти и другие преимущества изобретения станут более понятными при рассмотрении нижеследующего описания совместно с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена блок-схема газотурбинной установки и контроллера подачи топлива, используемого при осуществлении ее запуска.
На фиг.2 представлен график, иллюстрирующий запуск газотурбинной установки по фиг.1.
На фиг.3 иллюстрируется способ управления запуском газотурбинной установки.
Осуществление изобретения
Представленная на фиг.1 система 5 управления подачей топлива содержит контроллер 10, который может быть определен также, как модуль управления подачей топлива на малых угловых скоростях (низких оборотах). Контроллер выдает команды топливному насосу 90, который подает соответствующие количества топлива в установку 15, такую как ВСУ самолета (не изображен). Хотя контроллер 10 может использоваться совместно с ВСУ, он пригоден и для газотурбинных установок других типов.
Контроллер 10 использует известный корректирующий коэффициент 20, зависящий от температуры (пропорциональный квадратному корню из отношения температур, далее именуемый корректирующим 6-коэффициентом) и известный корректирующий коэффициент 25, зависящий от давления окружающей среды (далее именуемый корректирующим Д-коэффициентом), а также справочную таблицу 40 высот. Контроллер 10 получает информацию отдатчика 30 скорости (числа оборотов) установки, датчика 35 давления топлива, такого как преобразователь давления, датчика 43 давления воздуха на входе, датчика 50 температуры выхлопных газов (ТВГ) и поступающие с входа 55 данные о последних командах по управлению подачей топлива (далее - "топливные команды"). Датчик 50 ТВГ отслеживает температуру выхлопных газов установки 15. Вход 55 обеспечивает данные о последних топливных командах, выданных контроллером 10. Для этого используются один или более запоминающих компонентов, в которые записываются сведения о каждой последующей команде. Поисковая таблица 40 содержит ассоциированные с каждой высотой параметры, которые выбираются, для определения границ рабочего диапазона подачи, по результатам расчета высоты по данным, поступающим от датчика 43 давления воздуха на входе. Как это известно специалистам, контроллер 10 содержит комплекты инструкций, позволяющих реализовать ограничения, которые будут описаны далее. Контроллер 10 может быть построен с применением одного или более микроконтроллеров, микропроцессоров и/или других контуров, способных выполнять комплекты команд, записанных в одном или более запоминающих компонентах. Должно быть понятно, что рассматриваемые в описании и представленные на чертежах компоненты контроллера 10 (в частности модули, связанные с выработкой топливных команд при низких скоростях установки 15) могут соответствовать лишь части полной функциональности, реализованной в контроллере 10.
Контроллер 10 содержит также имеющие соответствующие комплекты инструкций модуль 60 верхнего предела подачи топлива, модуль 65 нижнего предела подачи топлива, модуль 70 пропорционального интегрального управления (ПИУ) ТВГ, который сравнивает отклонение фактических данных от рабочей точки и определяет корректирующий коэффициент на основе скорости изменений, отрезающий модуль 75, модуль 80 ПИУ давлением топлива и триггерный модуль 85.
Как будет описано далее, триггерный модуль 85 определяет, который из указанных модулей 70 и 80 управляет топливным насосом 90. Контроллер 10 может сначала выдавать топливные команды, используя модуль 80 ПИУ давлением топлива, вплоть до момента, когда выходной сигнал модуля 70 ПИУ ТВГ станет меньше выходного сигнала модуля 80 ПИУ давлением топлива. В этот момент триггерный модуль 85 переключит управление на модуль 70 ПИУ ТВГ, так что дальнейшее управление будет производиться этим модулем. Триггерный модуль 85 передаст управление от модуля 70 ПИУ ТВГ или модуля 80 ПИУ давлением топлива отдельному контроллеру/модулю (не изображен), если скорость установки по данным от датчика 30 скорости превысит заданную пороговую скорость (определяемую в процентах от номинальной скорости, % N, см. фиг.2). Отрезающий модуль 75 принимает сигналы от модуля 70 ПИУ ТВГ, модуля 60 верхнего предела подачи топлива и модуля 65 нижнего предела подачи топлива. Если расход топлива, по данным модуля 60 верхнего предела подачи топлива, равен или имеет тенденцию к превышению верхнего предела, отрезающий модуль 75 отрезает сигнал, поступающий от модуля 70 ПИУ ТВГ, чтобы предотвратить выдачу команды на превышение верхнего предела подачи топлива. Аналогично, если расход топлива, по данным модуля 65 нижнего предела подачи топлива, равен или имеет тенденцию стать меньше нижнего предела, отрезающий модуль 75 отрезает сигнал от модуля 70 ПИУ ТВГ, чтобы предотвратить расход топлива, меньший нижнего предела подачи топлива.
На вход модуля 60 верхнего предела подачи топлива поступают корректирующий θ-коэффициент 20, корректирующий Δ-коэффициент 25, сигнал датчика 30 скорости установки и данные поисковой таблицы 40. Модуль 60 верхнего предела подачи топлива настраивает допустимый для установки максимальный расход топлива, чтобы минимизировать вероятность того, что установка 15 при текущих значениях высоты и скорости и с учетом корректирующих коэффициентов 20 и 25 будет получать слишком много топлива. Избыток топлива может привести к тому, что топливная смесь, получаемая установкой 15, станет слишком богатой или в установке 15 будет иметь место срыв пламени. Кроме того, если установка 15 получает топливо на уровне выше верхнего предела подачи топлива, она может оказаться не в состоянии выдерживать тепло, выделяемое при сгорании избытка топлива, что приведет к повреждению ее компонентов.
Аналогично, на вход модуля 65 нижнего предела подачи топлива поступают корректирующий θ-коэффициент 20, корректирующий Δ-коэффициент 25, сигнал датчика 30 скорости установки и данные поисковой таблицы 40. Модуль 65 нижнего предела подачи топлива настраивает допустимый для установки минимальный расход топлива, чтобы минимизировать вероятность того, что установка 15 при текущих значениях высоты и скорости и с учетом корректирующих коэффициентов 20 и 25 будет получать слишком мало топлива. Недостаток топлива может сделать топливную смесь слишком обедненной, что также может привести к срыву пламени в установке.
На вход модуля 70 ПИУ ТВГ поступают сигналы от датчика 30 скорости установки, датчика 50 ТВГ и датчика 43 давления воздуха на входе, а также данные поисковой таблицы 40 и данные о последних топливных командах с входа 55. Датчик 43 давления воздуха на входе позволяет данному модулю определять по поисковой таблице 40, в которой приводятся значения скорости установки и давления воздуха на входе, соответствующие оптимальные параметры управления и обеспечивать тем самым стабильное управление ТВГ. Данный модуль используется только тогда, когда модуль 80 ПИУ давлением топлива заставляет ТВГ приблизиться к заданной для ПИУ ТВГ контрольной точке, соответствующей определенной температуре.
На вход модуля 80 ПИУ давлением топлива поступают сигналы от датчика 30 скорости установки и датчика 35 давления топлива, а также данные поисковой таблицы 40. Управление топливными форсунками со стороны данного модуля осуществляется путем модуляции давления топлива, подаваемого к установке 15, через триггерный модуль 85 и топливный насос 90, который подает топливо F в установку 15 по топливопроводу 95 через топливные форсунки 45. Вместо топливных форсунок могут использоваться и другие средства впрыска топлива.
На фиг.2 представлен график 100, иллюстрирующий пример последовательности операций при запуске установки 15 по фиг.1 с использованием контроллера 10 согласно принципам изобретения. По оси Y на графике 100 отложены как относительные значения скорости установки (в % N), так и давление топлива в барах. Кривая 105 соответствует скорости установки, измеряемой датчиком 30 скорости (см. фиг.1). Кривая 110 отображает временную зависимость давления топлива, подаваемого в установку через топливные форсунки 45 (см. фиг.1) и измеряемого датчиком 35 давления топлива (см. фиг.1). Кривая 115 отображает временную зависимость ТВГ, измеряемую датчиком 50 ТВГ (см. фиг.1), в процессе ускорения установки 15.
В примере, представленном на фиг.2, в течение около 10-15 с после зажигания скорость вращения в установке 15 является низкой. Как видно из сопоставления кривых 110 и 105, давление топлива на форсунке 45 является очень низким до тех пор, пока скорость не достигнет порогового значения. Как отклик на достижение этого значения, давление топлива быстро возрастает до выхода на управляемый уровень, обеспечивающий стабильный режим горения топлива. Поскольку установка 15 запускается при температуре окружающей среды на большой высоте (соответствующей в этом примере около 12,8 км), начальная ТВГ может быть очень низкой, например около -20°C. После возрастания давления топлива до уровня, обеспечивающего стационарный режим, ТВГ и скорость установки быстро увеличиваются, и ТВГ начинает приближаться к своему контролируемому пределу. В одном варианте этот предел задает контрольную точку ТВГ около 704°C. В этой точке триггерный модуль 85 (см. фиг.1) распознает, что модуль 70 ПИУ ТВГ требует обеспечить меньшую подачу топлива, чем модуль 80 ПИУ давлением топлива и поэтому отбирает управление от модуля 80 ПИУ давлением топлива и передает его модулю 70 ПИУ ТВГ. После этого указанный модуль 70 модулирует поток топлива, подаваемый к топливным форсункам 45 установки таким образом, чтобы поддерживать ТВГ вблизи контролируемого предела (это соответствует участку 120 кривых 110 и 115 на фиг.2). Если модуль 70 ПИУ ТВГ определяет, что давление топлива, подаваемого к установке 15, слишком велико, он модулирует это давление (см. фиг.2) до достижения допустимого значения ТВГ. Если ТВГ снижается лишком быстро (как на отрезках участка 120) модуль 70 ПИУ ТВГ модулирует давление топлива таким образом, чтобы допустимое снижение давления сопровождалось допустимым снижением ТВГ (как на участке 125, см. фиг.2).
В качестве отклика на достижение установкой скорости, соответствующей примерно 30-35% номинальной скорости N вращения, управление может быть передано другим модулям (не изображены) контроллера 10 или отдельному контроллеру скорости (не изображен) и осуществляться далее известным способом
На фиг.3 приведена блок-схема, поясняющая способ 130 управления подачей топлива посредством контроллера 10 по фиг.1. При запуске установки 15 модуль 80 ПИУ давлением топлива (МПИУДТ) управляет подачей топлива к установке 15 под давлением, определяемым заданным высотным режимом и скоростью установки (шаг 135). Модуль 80 ПИУ давлением топлива осуществляет управление, пока скорость установки не приблизится, достигнет или превысит пороговую скорость, составляющую в данном примере около 30-35% заданной максимальной скорости установки. Если триггерный модуль 85 определит (шаг 140), что скорость установки приближается к пороговой скорости, равна ей или превосходит ее, контроллер 10 передаст управление отдельному контроллеру или модулю управления (не изображен), что соответствует выходу из данного способа (шаг 145). Если же скорость установки меньше пороговой скорости, а детектированная ТВГ не приближается к контролируемому пределу, модуль 80 ПИУ давлением топлива сохраняет управление подачей топлива к установке 15 (шаги 140, 150, 135). Если будет установлено, что скорость установки меньше пороговой скорости, а команда по расходу топлива от модуля 70 ПИУ ТВГ соответствует меньшему расходу, чем задаваемый модулем 80 ПИУ давлением топлива (шаг 150), триггерный модуль 85 передает управление от модуля 80 ПИУ давлением топлива модулю 70 ПИУ ТВГ (шаг 155). Управление подачей топлива остается за модулем 70 ПИУ ТВГ (МПИУТВГ) до тех пор, пока не будет определено, что скорость установки превышает пороговую скорость (шаг 160), после чего управление передается отдельному контроллеру или модулю управления (не изображен), т.е. способ 130 завершается (шаг 145).
Поскольку запуск турбинных установок должен производиться в экстремальных условиях, управление подачей топлива является критичным для обеспечения требований в отношении запуска установки. Например, ведется разработка самолета, газотурбинные установки которого должны обеспечивать возможности подачи электроэнергии и/или запуска главного двигателя как на земле, так и в полете. Условия полета, которым должна удовлетворять такая установка, являются экстремальными в части обеспечения надежного режима сгорания во время запуска газовой турбины ВСУ, в частности холодного запуска на больших высотах.
Классический способ управления установкой состоит в регулировании расхода топлива, основываясь на сигналах датчика скорости, который задает подачу топлива к установке таким образом, чтобы обеспечить желательное ускорение. Этот способ регулирования подачи топлива учитывает переменные, которые могли бы повлиять на успешность запуска установки, такие как эффективность камеры сгорания, нестабильность топливного модуля/насоса и влияние изменений вязкости топлива на различных высотах. Однако по мере роста высоты и снижения температуры заданные пределы для топливных команд и пределы в отношении срыва пламени в камере сгорания становятся все более узкими, и это может сделать классический способ регулировки подачи топлива недостаточно точным.
Как было описано выше, в процессе подачи топлива к установке 15 осуществляется прецизионный контроль давления топлива, чтобы поддерживать стабильный режим горения в камере сгорания во время запуска. В тех случаях, когда управление давлением топлива приводит к достижению заданных пределов температуры выхлопных газов, предложенный новый способ управления подачей топлива предусматривает осуществление управлением ТВГ, в результате чего расход топлива будет уменьшен в соответствии с известной зависимостью для ТВГ.
Хотя в проиллюстрированном примере рассмотрены различные признаки, для реализации преимуществ изобретения необязательно наличие всей их совокупности. Другими словами, устройство, выполненное согласно варианту изобретения, может не содержать всех признаков или всех частей, схематично показанных на чертежах. Кроме того, некоторые признаки одного варианта могут быть скомбинированы с некоторыми признаками других вариантов.
Представленное описание имеет иллюстративный, а не ограничивающий характер. Специалистам будут очевидны вариации и модификации представленного примера, в том числе не выходящие за границы изобретения, которые могут быть определены только в результате анализа прилагаемой формулы.