СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЛОЩАДЬЮ КРИТИЧЕСКОГО СЕЧЕНИЯ РЕАКТИВНОГО СОПЛА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области управления работой газотурбинных двигателей, преимущественно, авиационных и может быть использована для повышения эффективности их управления во всем диапазоне режимов работы.
Известна система управления газотурбинным двигателем, содержащая устройство регулирования подачи топлива в основную камеру сгорания, замкнутое с газотурбинным двигателем по частоте вращения ротора через датчик частоты вращения. Устройство регулирования подачи топлива выполнено в виде электронного регулятора, вход которого соединен с датчиком частоты вращении, а выход - с одним из входов выходного устройства, которое соединено с исполнительным механизмом насоса - регулятора.
Система также имеет также контур регулирования геометрии проточной части двигателя, включающий в себя регулятор направляющих компрессора с элементом управления (например, гидроцилиндром) положением направляющих аппаратов. Регулятор замкнут с двигателем через датчик частоты вращения. Элемент управления положением направляющих аппаратов компрессора дополнительно соединен с датчиком положения направляющих аппаратов, выход которого соединен с блоком коррекции расхода топлива в камеру сгорания, выход блока соединен со вторым входом выходного устройства системы регулирования топливопитания камеры сгорания.
В процессе работы системы, рычагом управления двигателя, через контур топливопитания камеры сгорания, выводят двигатель на рабочий режим, при котором совместно работают контуры регулирования топливопитания и управления положением направляющих аппаратов компрессора.
Сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора двигателя, через датчик частоты вращения одновременно поступает на электронный регулятор контура управления топливопитанием и на контур управления направляющими аппаратами компрессора. В электронном регуляторе данный сигнал сравнивается с заданным значением частоты вращения ротора. В зависимости от результатов сравнения, электронный регулятор через выходное устройство выдает команду на исполнительный механизм насоса-регулятора, который соответствующим образом воздействует на дозирующий элемент насоса-регулятора.
Одновременно регулятор направляющих аппаратов также получает на вход сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора двигателя, по которому в соответствии с заданной программой через элемент управления устанавливают новое положение направляющих аппаратов компрессора, которое соответствует заданному режиму работы двигателя.
В процессе работы двигателя, в результате внешних возмущений возможно отклонение направляющих аппаратов компрессора от заданного положения, которое определяется датчиком положения. Соответствующий сигнал с датчика положения подается на блок коррекции расхода топлива, который выдает сигнал коррекции в контур топливопитания, изменяя тем самым режим подачи топлива в основную камеру сгорания, компенсируя возмущающее воздействие отклонения положения направляющих аппаратов на частоту вращения ротора двигателя.
(см. патент РФ №2007599, кл. F02C 7/26, 1994 г.).
В результате анализа известной системы управления газотурбинным двигателем, необходимо отметить, что она обеспечивает требуемое качество регулирования газотурбинного двигателя на всех режимах его работы, особенно на переходных режимах его работы.
кр.
Известна система управления площадью критического сечения реактивного сопла газотурбинного двигателя, содержащая привод управления площадью критического сечения (s) реактивного сопла, связанный через регулятор с выходом элемента сравнения, а также задающее программное устройство, причем система снабжена делителем, вторым элементом сравнения, первым и вторым сумматорами, вторым и третьим вычислительными программными устройствами, входы первого и второго программных устройств имеют возможность соединения с датчиком температуры воздуха на входе в двигатель, а вход третьего программного устройства - с рычагом управления двигателем, выходы второго и третьего программных устройств соединены с входами первого сумматора, выход которого связан с первым входом второго элемента сравнения, второй вход которого имеет возможность соединения с датчиком частоты вращения ротора низкого давления, а выход второго элемента сравнения связан с введенным в систему корректором, выход которого связан с первым входом второго сумматора, второй вход которого связан с выходом первого программного устройства, а выход - со вторым входом первого элемента сравнения, при этом входы делителя имеют возможность соединения с датчиками давления газа за компрессором и за турбиной, а выход - с первым входом первого элемента сравнения.
(см. патент на полезную модель РФ №101736, кл. F02C 9/48, 2011 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известной системы необходимо отметить, что она осуществляет управление работой двигателя на заведомо пониженных режимах, чтобы гарантированно избежать «заброса» параметров двигателя за пределы максимально установленных в процессе его работы, в частности, она не поддерживает максимальное значение адиабатического коэффициента полезного действия компрессора низкого давления. Это существенно снижает ее эффективность.
Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка системы управления площадью критического сечения реактивного сопла газотурбинного двигателя, позволяющей повысить эффективность регулирования за счет обеспечения его работы с максимально допустимым адиабатическим коэффициентом полезного действия (КПД) на всех режимах работы двигателя и гарантированно избежать выхода его рабочих параметров за пределы максимально установленных, особенно на предельных режимах.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в системе управления площадью критического сечения реактивного сопла газотурбинного двигателя, включающей датчики давления воздуха на входе и выходе компрессора, связанные с входами первого вычислителя, второй вычислитель, датчик температуры воздуха на входе в компрессор, датчик числа оборотов ротора компрессора, а также датчик положения направляющих аппаратов компрессора, связанный с первым входом третьего вычислителя, элемент сравнения, задающий блок и регулятор, связанный входом с выходом элемента сравнения, а выходом с приводом управления площадью критического сечения реактивного сопла, датчик температуры воздуха на входе в компрессор и датчик числа оборотов ротора компрессора связаны с входами второго вычислителя, второй вход третьего вычислителя связан с выходом второго вычислителя, с первым входом задающего блока связан датчик положения направляющих аппаратов компрессора, а со вторым и третьим его входами связаны соответственно выходы первого и второго вычислителей, выход задающего блока связан с первым входом элемента сравнения, со вторым входом которого связан выход третьего вычислителя.
В предлагаемой системе управления за счет изменения площади критического сечения реактивного сопла обеспечивается положение рабочей линии на характеристике компрессора низкого давления двухконтурного газотурбинного двигателя, соответствующей максимальному значению адиабатического КПД и, тем самым, достигается наилучшая экономичность двигателя.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы управления площадью критического сечения реактивного сопла газотурбинного двигателя.
1
2
вх
на
1
2
вх
на
на
кр.
Система управления площадью критического сечения реактивного сопла газотурбинного двигателя 1 содержит датчики контроля его работы, а именно: P - датчик давления воздуха на входе в компрессор; P - датчик давления воздуха на выходе из компрессора; T - датчик температуры воздуха на входе в компрессор; n - датчик частоты вращения ротора компрессора; α - датчик положения направляющих аппаратов компрессора. На схеме датчики условно показаны стрелками, исходящими от двигателя 1. Датчики давления воздуха P и P связаны с входами первого вычислителя 2. Датчики температуры воздуха на входе в компрессор T и частоты вращения ротора компрессора n связаны с входами второго вычислителя 3. Датчик положения направляющих аппаратов компрессора α связан с первым входом задающего блока 4 со вторым и третьим входами которого связаны выходы первого 2 и второго 3 вычислителей соответственно. Система оснащена третьим вычислителем 5, первый вход которого связан с датчиком положения направляющих аппаратов компрессора α, а второй - с выходом второго вычислителя 3. Система также оснащена элементом сравнения 6, первый вход которого связан с выходом задающего блока 4, а второй - с выходом третьего вычислителя 5. Выход элемента сравнения 6 связан с регулятором 7, управляющим приводом 8 управления площадью критического сечения (S) реактивного сопла.
Система управления скомпонована из стандартных блоков и модулей.
Система управления площадью критического сечения реактивного сопла газотурбинного двигателя работает следующим образом.
1
2
вх
на
В процессе работы двигателя 1 и функционирования системы его управления на входы первого 2, второго 3 и третьего 5 вычислителей поступают сигналы с датчиков, а именно с датчиков P и P на первый вычислитель 2, с датчиков T и n на второй вычислитель 3, с датчика α на третий вычислитель 5 и первый вход задающего блока 4.
2
1
В вычислителе 2 по значениям сигналов датчиков вычисляется степень сжатия (P/P) воздуха в компрессоре. Нетрудно заметить, что в качестве вычислителя может быть использовано известное вычислительное устройство, которому присуща функция деления.
В вычислителе 3 вычисляется приведенная частота вращения ротора компрессора, которая может быть определена по известной зависимости , где n - частота вращения ротора компрессора. Нетрудно заметить, что в качестве вычислителя 3 может быть использовано практически любое известное устройство, реализующее расчет параметров по указанной выше зависимости.
max
пр
на
max
В вычислителе 5 по значениям текущего положения направляющих аппаратов компрессора и приведенной частоты вращения ротора компрессора вычисляется максимальное значение адиабатического КПД компрессора для текущих режимов работы двигателя, которое может быть вычислено по функции ή=f(ή, n, α) где ή - адиабатический КПД. Конструктивно данный вычислитель может быть реализован в виде стандартного микропроцессорного модуля, в память которого заложены значения наперед заданных максимальных адиабатических КПД ή для всех режимов работы двигателя. Проведение такого расчета не представляет сложности для специалистов.
Параллельно в задающем блоке 4 по значениям сигналов с вычислителей 2 и 3 и значению датчика положения направляющих аппаратов компрессора вычисляется текущее значение адиабатического КПД.
тек
пр
на
1
2
Данное значение КПД может быть определено различным образом, например, реализацией функциональной зависимости ή=f(n, α, (P/P). Проведение такого расчета не представляет сложности для специалистов.
С третьего вычислителя 5 и задающего блока 4 выработанные сигналы поступают на элемент сравнения 6, в котором вырабатывается управляющий сигнал Δή, который является разницей между максимальным и текущим значениями адиабатического КПД и определяет ту величину, на которую можно изменить (увеличить или уменьшить) режимы работы, не перекрывая предельно допустимые значения. Выработанный в элементе сравнения 6 управляющий сигнал поступает на регулятор (например, стандартный ПИД регулятор) 7, который управляет приводом 8 управления площадью критического сечения реактивного сопла.
Использование данной системы обеспечивает управление работой ГТД с максимально допустимым адиабатическим КПД и позволяет исключить выход параметров двигателя при его работе за пределы максимально установленных значений.