СПОСОБ ЗАЩИТЫ ДВУХКОНТУРНОГО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ РАСКРУТКИ ТУРБИНЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
METHOD FOR PROTECTION OF DUAL-FROW TURBOJET ENGINE AGAINST LOW PRESSURE TURBINE SPIN-UP

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к системам автоматической защиты газотурбинного двигателя от раскрутки турбины при ее отсоединении от вала компрессора.
Известен способ автоматической защиты газотурбинного двигателя, сущность которого заключается в том, что с помощью блока защиты двигателя измеряют частоту вращения n турбины двигателя, сравнивают измеренное значение с наперед заданным предельным значением, и при увеличении частоты вращения n турбины выше наперед заданного значения формируют управляющий сигнал на прекращение подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя (патент RU №2493393, МПК F02C 9/46, опубл. 20.09.2013).
Недостатком известного способа является недостаточное быстродействие системы, а также необходимость создания и применения автономного блока защиты, что увеличивает стоимость двигателя и усложняет его конструкцию, т.к. подобные автономные блоки, как правило, оснащаются отдельным комплектом датчиков частоты вращения, которые не используются в штатной системе автоматического управления или системе диагностики двигателя.
Известны способы автоматической защиты газотурбинного двигателя от раскрутки, в которых для повышения быстродействия системы в части выявления факта раскрутки турбины, предусматривается дополнительное определение первой производной  по времени частоты вращения ротора турбины (патент US №6176074, МПК F01D 21/04, 21/06, F02C 9/46).
Недостатком известного способа является то, что при использовании параметра частоты вращения n и его производной  возможны ложные срабатывания системы, например, из-за кратковременных сбоев системы измерения частоты вращения n, вызванных переменным контактом в электропроводке датчика частоты вращения. Для устранения этого недостатка в подобных системах защиты желательно иметь два и более независимых параметра, сбой которых одновременно из-за отказов электропроводки следует оценивать как практически невероятное событие.
т
т
Наиболее близким к заявляемому является способ защиты двухконтурного турбореактивного двигателя от раскрутки турбины низкого давления, включающий измерение частоты вращения турбокомпрессора, частоты вращения турбины низкого давления, приводящей во вращение вентилятор, определение технического состояния двигателя на основании измеренных параметров, уменьшение или полное прекращение подачи топлива в двигатель в случае обнаружения отсоединения турбины низкого давления от вала вентилятора газотурбинного двигателя (патент RU №2376487, МПК F02C 9/46, опубл. 20.12.2009). Система, реализующая известный способ, содержит магнитно-индукционные датчики частоты вращения в системах контроля технического состояния и управления двигателем, а также датчик давления системы измерения крутящего момента. Момент нарушения целостности трансмиссии диагностируют одновременно датчиками частоты вращения разноименных роторов двигателя. Датчики частоты вращения разноименных роторов являются стандартно комплектуемыми (штатными) датчиками частоты вращения свободной турбины и частоты вращения турбокомпрессора, используются в электронной системе управления двигателем. При этом в случае превышения предельного значения частоты вращения ротора силовой турбины система защиты выдает команду на исполнительный механизм насоса-регулятора для снижения подачи топлива G в двигатель. В случае превышения критического значения предельных оборотов частоты вращения силовой турбины электронная система управления формирует команду на полное прекращение подачи топлива в двигатель (G=0).
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является необходимость применения специальной системы измерения крутящего момента, в т.ч. датчика давления. В целом это приводит к усложнению конструкции двигателя и к снижению его надежности, а также к повышению стоимости двигателя, в т.ч. увеличение затрат на эксплуатационные расходы. Также сложность алгоритма определения факта рассоединения валов по изменению амплитудно-частотных характеристик сигналов. При рассоединении вала турбины и вала компрессора возможно повреждение самого датчика частоты вращения силовой турбины, что приводит к неработоспособности системы защиты. Кроме того, в случае применения магнитно-индукционных датчиков типа ДТА, ДЧВ - 2500 при раскрутке и смещении свободной турбины (турбины низкого давления) изменяется требуемый монтажный зазор между датчиком и индуктором, как следствие, возникает существенная погрешность измерения n, что делает систему защиты от раскрутки также неработоспособной.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении достоверности определения неисправностей и повышении надежности системы защиты двухконтурного турбореактивного двигателя от раскрутки турбины низкого давления.
нач
тек
Указанный технический результат достигается тем, что в способе защиты двухконтурного турбореактивного двигателя от раскрутки турбины низкого давления, включающем измерение частоты вращения турбокомпрессора, частоты вращения турбины низкого давления, приводящей во вращение вентилятор, определение технического состояния двигателя на основании измеренных параметров, уменьшение или полное прекращение подачи топлива в двигатель в случае обнаружения отсоединения турбины низкого давления от вала вентилятора, согласно изобретению для определения технического состояния двигателя дополнительно определяют начальную S и текущую S величины скольжения роторов по формулам:
и , где
нач
S - величина скольжения в начальный момент времени до начала изменения;
тек
S - величина скольжения через интервал времени Δt;
вд нач
n - частота вращения турбокомпрессора перед изменением скольжения, об/мин;
в нач
n - частота вращения турбины низкого давления перед изменением скольжения, об/мин;
вд тек
n - частота вращения турбокомпрессора через интервал времени Δt, об/мин;
в тек
тек
нач
1
в
в нач
в тек
2
1
в
2
n - частота турбины низкого давления через интервал времени Δt, об/мин, вычисляют величину ΔS=S-S и сравнивают ее с изначально заданной величиной А, вычисляют величину Δn=n - n и сравнивают ее с изначально заданной величиной А, при этом в случае если одновременно выполняется условие, при котором ΔS>А и Δn>А, то осуществляют уменьшение или полное прекращение подачи топлива в двигатель и подачу сигнала на открытие клапанов перепуска воздуха в компрессоре.
Осуществление вышеуказанных операций заявленного способа позволяет исключить погрешности измерений, ложные срабатывания системы защиты двигателя из-за возникающих кратковременных сбоев при измерении параметров и возникновение неисправностей системы защиты, что повышает достоверность определения неисправностей и надежность системы защиты двухконтурного турбореактивного двигателя от раскрутки турбины низкого давления. Также предложенный способ позволяет упростить алгоритм определения рассоединения валов турбины и компрессора, повысить быстродействие и снизить затраты на создание и эксплуатацию системы защиты за счет исключения дополнительных измерительных устройств.
Заявленный способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого представлена на чертеже.
вд
вд нач
вд тек
в
в нач
в тек
С помощью блока 1 измеряют частоту вращения n (n, n) ротора высокого давления (турбокомпрессора). Посредством блока 2 измеряют частоту вращения n (n, n) турбины низкого давления, приводящей во вращение вентилятор двигателя. Применяемые датчики для измерения частоты вращения ротора высокого давления и турбины низкого давления аналогичны тем, что применяются в прототипе и являются стандартно комплектуемыми (штатными) датчиками. Однако, в отличие от прототипа, для реализации заявленного способа индуктор датчика для измерения частоты вращения турбины низкого давления размещен на валу вентилятора, а сам датчик находится вблизи вентиляторных лопаток. Такое размещение исключает поломку датчика при разрушении турбины низкого давления.
вд
в
нач
тек
Посредством блока 3 определяют скольжение S обоих роторов, как отношение частот вращения n/n, т.е. определяют начальную S величину скольжения роторов в момент времени до начала изменения скольжения и текущую S величину скольжения роторов через фиксированный интервал времени Δt (Δt=0,2 с) в соответствии со следующими формулами:
и , где
вд нач
n - частота вращения турбокомпрессора перед изменением скольжения, об/мин;
в нач
n - частота вращения турбины низкого давления перед изменением скольжения, об/мин;
вд тек
n - частота вращения турбокомпрессора через интервал времени Δt, об/мин;
в тек
n - частота турбины низкого давления через интервал времени Δt, об/мин.
в
в нач
в тек
С помощью блока 4 определяют первую производную  по времени параметра частоты вращения n турбины низкого давления (n, n).
Блоки 5 и 6 представляют собой пороговые устройства.
тек
нач
1
1
1
С помощью блока 5 осуществляют оценку параметра скольжения S, т.е. вычисляют разницу между текущей и начальной величинами скольжения ΔS=S-S и сравнивают с первой, изначально заданной величиной A (A=0,3). В случае если ΔS>A за фиксированный интервал времени Δt (Δt=0,2 с), то на выходе блока 5 формируется логический сигнал «1».
в
в нач
в тек
в
2
2
Посредством блока 6 осуществляют оценку параметра  - вычисляют величину Δn=n - n. В случае если величина Δn за тот же фиксированный интервал времени Δt (Δt=0,2 с) больше второй, изначально заданной величины А (А=500 об/мин), то на выходе блока 6 формируется второй логический сигнал «1».
1
2
Величины А и А назначают из условия, что в случае расцепления турбины низкого давления с вентилятором (компрессором низкого давления) частота вращения раскрутки ротора турбины будет меньше частоты вращения, при которой разрываются диски турбины.
1
в
2
т
т
т
В случае если одновременно выполняется условие, при котором ΔS>А и Δn>А, т.е. при одновременном наличии на двух входах блока 7 логических сигналов «1», на выходе блока 7 формируется команда в блок 8. Блок 8 представляет собой топливный насос-регулятор, обеспечивающий подачу топлива в камеру сгорания двигателя и управление клапанами перепуска воздуха в компрессоре двигателя. Если сигнал на выходе блока 7 наблюдают в течение фиксированного времени Δt (Δt=0,2 с), то дозирующая игла насоса-регулятора перемещается с максимально возможным темпом в положение малого газа, т.е. в сторону уменьшения расхода топлива G в двигатель (т.е. осуществляют уменьшение подачи топлива в двигатель). Если сигнал на выходе блока 7 наблюдают в течение времени 0,4 с, то осуществляют уменьшение или полное прекращение подачи топлива в двигатель и подачу сигнала на открытие клапанов перепуска воздуха в компрессоре: система защиты формирует сигнал на полное прекращение подачи топлива G в камеру сгорания двигателя (G=0) и сигнал на открытие клапанов перепуска воздуха в компрессоре. Открытие клапанов перепуска воздуха из компрессора в наружный контур двигателя на максимальном режиме приводит к переобогащению смеси и погасанию малоэмиссионной камеры сгорания, таким образом дублируется выключение подачи топлива. Кроме того, при открытии клапанов перепуска происходит падение мощности турбины низкого давления, что способствует меньшим повреждениям при поломке турбины и локализации отказа.
Используемый для реализации заявленного способа электронный регулятор двигателя представляет собой специализированную электронную цифровую вычислительную машину, работающую в реальном масштабе времени и оснащенную устройствами сопряжения с датчиками, сигнализаторами, исполнительными элементами и системами двигателя и самолета.