СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ПОМПАЖА
METHOD OF PROTECTING GAS TURBINE ENGINE AGAINST SURGE

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах (САУ) автоматического управления газотурбинными двигателями (ГТД).
Известен способ защиты ГТД от помпажа, реализованный в гидромеханической САУ с электронным сигнализатором помпажа, [1]. Способ заключается в том, что по сигналу от сигнализатора помпажа выключают двигатель.
Недостатком известного способа является его низкая эффективность и невозможность использования на одномоторных летательных аппаратах (ЛА).
Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности является способ защиты ГТД, реализуемый, например, в электронно-гидромеханических САУ, [2].
САУ содержит последовательно соединенные блок датчиков (БД), включающий в себя сигнализатор помпажа, электронный регулятор (ЭР), дозатор топлива (ДТ), клапан останова (КО).
Способ заключается в том, что с помощью сигнализатора помпажа определяют начало помпажа компрессора, включают КО и прекращают подачу топлива в камеру сгорания (КС) ГТД на наперед заданное время, зависящее от характеристик ГТД, после истечения этого времени выключают КО и возобновляют подачу топлива в КС ГТД.
Недостатком известного способа является следующее. Прекращение подачи топлива в КС обычно обеспечивает вывод компрессора двигателя из помпажа. Но процесс потери и восстановления запасов газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора сильно зависит от индивидуальных характеристик ГТД. Особенно это касается современных ГТД (ПС-90А, ПС-90А1, ПС-90А2), газогенераторы которых «выжаты» в смысле запасов ГДУ для обеспечения экономических эксплуатационных характеристик двигателя. Это приводит к тому, что для современных ГТД предлагаемый способ восстановления расхода топлива (через наперед заданное время) может усугубить состояние двигателя - в случае, если к моменту истечения наперед заданного времени двигатель еще не вышел из помпажа, или вызвать повторный помпаж - если к моменту истечения наперед заданного времени двигатель еще не набрал необходимого запаса ГДУ. Это снижает надежность работы двигателя и может привести к необходимости его выключения. Это снижает безопасность летательного аппарата (ЛА) и делает практически невозможным использование известного способа для защиты современных ГТД.
Целью изобретения является повышение качества работы САУ в части защиты ГТД от помпажа и, как следствие, повышение надежности ГТД и безопасности ЛА.
Поставленная цель достигается тем, что дополнительно для идентификации состояния помпажа компрессора рассчитывают критерий помпажа, сравнивают критерий с уставками включения и выключения, определяемыми для каждого типа ГТД экспериментально, в случае превышения критерием уставки включения формируют сигнал "Помпаж", а если критерий меньше уставки включения, сравнивают его с уставкой выключения, если критерий больше уставки выключения, сохраняют сигнал «Помпаж», если критерий меньше уставки выключения, снимают сигнал «Помпаж», и только после этого выключают КО и возобновляют подачу топлива в КС ГТД.
На чертеже представлена схема устройства, реализующая заявляемый способ.
Устройство содержит последовательно соединенные БД 1, включающий в себя сигнализатор 2 помпажа, ЭР 3, ДТ 4, КО 5, причем ДТ подключен к БД 1, а КО 5 - к ЭР 3.
Устройство работает следующим образом. Электронный регулятор 2 по сигналам датчиков из блока 1 по известным зависимостям (см., например, [2]) формирует управляющее воздействие на ДТ 4, который осуществляют требуемые изменения расхода топлива в КС двигателя. При нормальной работе ГТД КО 5 выключен.
При возникновении помпажа сигнализатор 2 формирует сигнал в ЭР 3. После получения этого сигнала ЭР 3 формирует команду на включение КО 5. КО 5 прекращает подачу топлива в КС. Одновременно по команде ЭР 3 ДТ 4 устанавливается в положение, соответствующее расходу топлива на режиме МГ.
После ликвидации помпажа сигнал от сигнализатора 2 снимается, ЭР 3 выключает КО 5. Через ДТ 4 в КС начинает поступать расход топлива, соответствующий режиму работы двигателя.
Сигнализатор 2 помпажа представляет вычислитель (процессор, ОЗУ, ПЗУ) с устройствами ввода/вывода, подключенными к БД 1 и ЭР 2. Сигнализатор 2 работает следующим образом (все численные значения используемых переменных приведены для двигателя ПС-90А, но по известной методике, см., например, [3], их можно выбрать для любого другого двигателя по его обобщенным характеристикам).
До расчета критерия помпажа производятся проверки условий, по которым диагностика помпажа отключается:
1. Наличие/отсутствие метки отключения функции диагностики помпажа (от ЭР 3).
2. Наличие/отсутствие частоты вращения турбокомпрессора больше 35% (при более низкой частоте степень сжатия мала).
3. Проверяется готовность буфера, то есть его заполненность кондиционными значениями измерения давления за компрессором, являющимися непрерывной последовательностью.
Метод диагностики помпажа на основе цифровой фильтрации. Данный метод основан на оценке мощности гармоник требуемой частоты, выделенных из сигнала давления воздуха за компрессором, таким образом, помпаж диагностируется при наличии колебаний давления воздуха за компрессором определенной частоты и с отношением амплитуды колебаний к среднему значению давления большим, чем определенное предельное значение. Критерий помпажа определяется по формуле:
к
где ΔP - амплитуда колебаний давления воздуха за компрессором;
к СР
P - среднее значение измеряемого давления.
к
ΔР определяется как мощность гармоник определенной частоты. Всякий процесс f(t) может быть разложен в ряд Фурье по формуле:
0
где ω - основная угловая частота функции (наименьшая кратная гармоника);
n
n
a, b - множество весовых коэффициентов для каждой гармоники;
t - время;
0
a - постоянная составляющая сигнала.
Коэффициенты можно рассчитать по формулам:
Мощность сигнала, представленного таким образом, согласно теореме Парсеваля определяется как
мощность сигнала - величина, пропорциональная квадрату амплитуды n-х гармоник сигнала, нам же необходимо определять относительную амплитуду полосы частот сигнала, поэтому перейдем к относительным весовым коэффициентам:
Таким образом, критерий приобретает следующий вид:
где С - критерий.
Если перейти от преобразования Фурье к методам оптимальной (квазиоптимальной) цифровой фильтрации с конечной импульсной характеристикой (КИХ), то формула (6) приобретет следующий вид:
1
2
где a(n) и a(n) - коэффициенты синусного и косинусного фильтров,
3
а(n) - коэффициенты фильтра низкой частоты,
х(n) - входная последовательность,
N - порядок КИХ фильтра.
Затем критерий сравнивается с уставкой срабатывания (0.2), и в случае превышения выдается сигнал "Помпаж", а если критерий меньше уставки включения, сравнивается с уставкой выключения (0.15), и в случае превышения уставки над критерием снимается сигнал "Помпаж".
Таким образом, обеспечивается диагностирование помпажа компрессора двигателя по внутридвигательному параметру: давлению воздуха за компрессором методом анализа динамики его изменения, что обеспечивает повышение достоверности оценки состояния двигателя и качества работы САУ и, как следствие, повышение надежности ГТД и безопасности ЛА.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ
1. Кеба И.В. «Летная эксплуатация вертолетных ГТД». М., «Транспорт», 1976.
2. Черкасов Б.А. «Автоматика и регулирование ВРД». М., «Машиностроение», 1988.
3. Техническая справка №2001.06.29. «Методика синтеза критерия помпажа». Пермь, ОАО «СТАР», 2001.