СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ФОРСАЖНОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ
CONTROL METHOD OF GAS TURBINE ENGINE WITH AFTERBURNER COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах автоматического управления многорежимными газотурбинными двигателями (ГТД) с форсажной камерой сгорания (ФКС).
Известен способ управления ГТД с ФКС, заключающийся в том, что по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором, положению рычага управления двигателем (РУД) и расходу топлива в основную камеру (ОКС) сгорания управляют расходом топлива в ФКС, причем дополнительно на установившихся форсажных режимах измеряют давление и температуру газов в ФКС, подают возрастающее по частоте пульсирующее воздействие на расход воздуха через двигатель с помощью направляющих аппаратов компрессора (НАК) и створок реактивного сопла (PC) двигателя, в момент увеличения полноты сгорания форсажного топлива, определяемый по скачкообразному росту давления и температуры газов в ФКС, фиксируют частоту пульсирующего воздействия на расход воздуха через двигатель и уменьшают расход форсажного топлива до тех пор, пока температура газов в ФКС не снизится до исходной (см. патент РФ №2386837, кл. F02C 9/00, 2009 г.).
В результате анализа известного способа необходимо отметить, что после розжига форсажной камеры на установившихся режимах достигается минимальный удельный расход топлива. Однако не решается задача создания оптимальных условий для запуска форсажной камеры сгорания в установившихся и переходных режимах работы двигателя, что ограничивает диапазон режимов работы двигателя, в котором обеспечивается надежный розжиг камеры сгорания.
Известен способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, заключающийся в том, что в процессе работы двигателя посредством датчиков измеряют параметры работы двигателя, сравнивают их с заданными и по величине рассогласования управляют положением распределительного золотника, управляющего гидроцилиндрами, регулирующими положение створок критического сечения реактивного сопла двигателя, при запуске двигателя распределительный золотник перемещают в нейтральное положение, на дроссельных режимах работы двигателя определяют приведенную частоту вращения ротора турбокомпрессора и положение гидроцилиндра реактивного сопла и по результатам сравнения данных сигналов получают управляющий сигнал, в соответствии с которым регулируют положение распределительного золотника для поддержания заданной площади реактивного сопла, на максимальных бесфорсажных и форсажных режимах по измеренным значениям давления в двух заданных сечениях двигателя формируют текущее значение отношения давлений в этих сечениях, которое сравнивают с заданным значением и по величине ошибки, полученной в результате сравнения, формируют заданное значение положения распределительного золотника, а при останове двигателя распределительный золотник перемещают в положение для полного раскрытия реактивного сопла (см. патент РФ №2466287, кл. F02C 9/28, 2012 г.).
В результате анализа известного способа необходимо отметить, что он не может обеспечить надежный запуск ФКС на дроссельных режимах работы ГТД, что приводит к увеличению времени полной приемистости двигателя.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания (ФКС) заключающийся в том, что по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором, положению рычага управления двигателем (РУД) и расходу топлива в основную камеру сгорания (ОКС) (основной расход топлива) управляют расходом топлива в ФКС, по измеренным положению РУД и перепаду давлений газа на турбине двигателя управляют гидроцилиндрами привода створок реактивного сопла (PC). Дополнительно по измеренным положению РУД давлению воздуха за компрессором и температуре воздуха на входе в двигатель формируют заданное значение пускового расхода топлива в ФКС, подают в ФКС пусковой расход форсажного топлива, включают агрегат «огневой дорожки» и контролируют розжиг ФКС по измеренной температуре газа в ФКС, если розжиг ФКС не произошел, отключают пусковой расход форсажного топлива и агрегат «огневой дорожки», изменяют заданное значение пускового расхода форсажного топлива с дискретность 5% и повторяют всю процедуру запуска ФКС и делают это до тех пор, пока не будет зафиксирован розжиг ФКС, если изменение заданного расхода топлива превысило 50%, а розжиг ФКС не произошел, попытки запуска ФКС прекращают и проводят внеочередной регламент двигателя.
Устройство, реализующее заявляемый способ, содержит последовательно соединенные блок датчиков (БД), электронный регулятор (ЭР), блок электрогидропреобразователей, дозатор форсажного топлива, запорный клапан (3К) пускового коллектора ФКС, к выходу блока электропреобразователей подключен исполнительный механизм управления гидроцилиндрами привода створок PC, к выходу ЭР подключены агрегат «огневой дорожки» и 3К (см патент РФ №2432478, кл. F02C 9/34, 2011 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа данного способа необходимо отметить, что выбранный способ управления критическим сечением PC, а именно поддержание заданной степени расширения газов на турбине, не реализуем на дроссельных режимах работы двигателя из-за докритического перепада давления на турбине. Также стоит отметить, что определение оптимальных условий запуска ФКС, в частности расхода топлива, осуществляется в процессе запуска ФКС, что может привести к увеличению времени запуска ФКС и увеличению времени полной приемистости двигателя.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение качества управления ГТД с ФКС за счет обеспечения необходимых условий для запуска ФКС на любых режимах работы ГТД, что приводит к снижению времени полной приемистости двигателя, а также повышению надежности управления двигателем в высотных условиях.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, включающем управление расходом топлива в форсажную камеру сгорания по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором, положению рычага управления двигателем, управление гидроцилиндрами привода створок реактивного сопла по измеренным перепаду давлений газа на турбине двигателя, формирование заданного значения пускового расхода топлива в форсажную камеру сгорания по измеренным давлению воздуха за компрессором и температуре воздуха на входе в двигатель, подачу в нее пускового расхода форсажного топлива, включение агрегата зажигания форсажной камеры сгорания и контроль розжига форсажной камеры сгорания, новым является то, что до достижения давления воздуха за компрессором заранее выбранного значения, поддерживают постоянное положение гидроцилиндров привода створок реактивного сопла, при котором обеспечивается заранее выбранное значение площади критического сечения реактивного сопла, и блокируют подачу топлива в основные коллекторы форсажной камеры сгорания.
Сущность заявленного изобретения поясняется схемой системы управления ГТД представленной на фиг. 1, посредством которой может быть реализован заявленный способ.
Система управления ГТД содержит регулятор 1 степени расширения газов на турбине, регулятор 2 площади критического сечения PC, выходы регуляторов 1 и 2 подключены к первому и второму входу переключателя 3 соответственно; выход переключателя 3 связан с входом привода 4 гидроцилиндров створок PC.
Система оснащена датчиком 5 давления воздуха за компрессором, выход которого подключен к входу компаратора 6, связанного с управляющим входом переключателя 3.
Датчик 5 давления воздуха за компрессором также подключен к первому входу делителя 7, ко второму входу которого подключен датчик 8 давления газа за турбиной. Выход делителя 7 связан с входом регулятора 1 степени расширения газов на турбине.
К первому входу регулятора 2 подключен датчик 9 площади критического сечения PC.
Система оснащена задатчиком 10 расхода топлива в ФКС, при этом первый выход задатчика через ключ 11 подключен к устройству дозирования расхода топлива в основные коллекторы ФКС (на рисунке не показано), а второй выход - с устройством дозирования расхода топлива в пусковой коллектор ФКС (на рисунке не показано). К входам задатчика 10 подключены датчик 5 давления воздуха за компрессором, датчик 12 положения РУД, датчик 13 температуры на входе в ГТД.
Датчик 12 положения РУД также связан с входом компаратора 14, который подключен ко второму входу регулятора 2 площади критического сечения PC и через ключ 15 к агрегату 16 зажигания ФКС.
К управляющему входу ключа 11 подключен выход компаратора 6.
К управляющему входу ключа 15 подключен датчик 17 горения в ФКС.
Система укомплектована стандартными датчиками, компараторами, переключателями и ключами.
В качестве датчиков контроля параметров работы ГТД, могут быть использованы индуктивные датчики частоты вращения, термоэлектрические и терморезистивные датчики температуры, резистивные или емкостные датчики давлений, стандартные линейные дифференциальные трансформаторы для измерения линейных или угловых перемещений.
В качестве датчика 17 горения в ФКС может быть использован датчик пламени ионизационного типа (ДПИ).
В качестве регулятора 1 может быть использован стандартный ПД-регулятор, настроенный на поддержание заранее выбранной уставки.
В качестве регулятора 2 может быть использован стандартный ПД-регулятор, настроенный на поддержание заранее выбранной уставки, при этом управляющий вход регулятора может изменять уставку регулирования.
Ключ 11 замыкается при наличии сигнала 1 на его управляющем входе.
Ключ 15 замыкается при отсутствии сигнала 1 на своем управляющем входе.
При наличии сигнала 1 на управляющем входе переключателя 3 к его выходу подключен его первый вход, при отсутствии сигнала на управляющем входе к выходу переключателя 3 подключен второй вход.
Порог срабатывания компаратора 6 по давлению воздуха за компрессором выбирается таким образом, чтобы в земных условиях при срабатывании компаратора достигался близкий к критическому перепад давлений на турбине, что необходимо для работы регулятора степени расширения газов на турбинах с заданной точностью и быстродействием.
Порог срабатывания компаратора 14 выбирается равным положению РУД, соответствующему минимальному форсированному режиму работы ГТД.
Задатчик 10 расхода в форсажную камеру может реализовывать следующие известные зависимости:
осн
РУД
ВХ
К
GT=f(α, Т, Р)*0,9,
пуск
РУД
ВХ
К
GT=f(α, Т, Р)*0,1;
Тпуск
где С - расход топлива в пусковой коллектор ФКС,
Тосн
G - расход топлива в основные коллекторы ФКС,
РУД
α - угол установки РУД,
ВХ
Т - температура воздуха на входе в двигатель,
К
Р - давление воздуха за компрессором.
Система работает следующим образом.
При РУД, установленном на площадку малого газа (МГ), регуляторы основного контура (в системе не показаны) поддерживают частоту вращения ротора ТК равной режиму МГ.
Давление за компрессором, измеряемое датчиком 5, ниже порога срабатывания компаратора 6, и на выходе компаратора формируется сигнал равный нулю, при котором переключатель 3 подключает к своему выходу второй вход, и регулятор 2, формирует управляющее воздействие на привод 4 гидроцилиндров створок PC для поддержания заданной площади. Фактическая площадь критического сечения PC измеряется датчиком 9.
В соответствии с нулевым сигналом компаратора 6 ключ 11 разомкнут.
Положением РУД задан бесфорсажный режим работы ГТД, поэтому задатчик 10 форсажного топлива формирует на своих выходах нулевые значения расходов топлива в пусковой и основные коллекторы ФКС.
ФКС не запущена и датчик 17 горения в ФКС формирует сигнал равный нулю, ключ 15 замкнут и включением агрегата 16 зажигания ФКС управляет сигнал компаратора 14.
мин
На выходе компаратора 14 формируется сигнал равный нулю, т.к. положение РУД, измеряемое датчиком 12, ниже порога срабатывания компаратора, при этом уставка регулятора 2 площади критического сечения реактивного устанавливается, например, на уставку Fкp=Fкp для обеспечения максимальной тяги двигателя, агрегат 16 зажигания ФКС выключен.
При переводе РУД в форсажную область, например, на режим полного форсирования в первый момент времени срабатывает компаратор 14, и
кр
мин
- регулятор 2 перестраивает свою уставку на, например, F=Fкp+10% для обеспечения необходимых запасов газодинамической устойчивости (ГДУ) ГТД и оптимальных условий запуска ФКС,
- начинается дозирование топлива в пусковой коллектор ФКС в соответствии с заданным значением, формируемым задатчиком 10,
- включается агрегат 16 зажигания ФКС.
После успешного запуска ФКС, датчик 17 горения в ФКС, формирует на своем выходе сигнал равный 1, ключ 15 размыкается и агрегат 16 зажигания ФК отключается.
Регуляторы основного контура увеличивают расход топлива в основную камеру сгорания для вывода ГТД на заданный РУД режим работы.
До тех пор, пока ротор ТК не успел раскрутиться, давление воздуха за компрессором ниже порога срабатывания компаратора 6, и на выходе компаратора формируется сигнал равный 0, ключ 11 разомкнут и дозирование топлива в основные коллекторы ФКС заблокировано. Переключатель 3 не меняет своего состояния, и регулятор 2 площади критического сечения PC поддерживает заданную площадь критического сечения PC.
По мере раскрутки ротора ТК давление воздуха за компрессором растет и его величина превышает порог срабатывания компаратора 6, на выходе компаратора формируется сигнал равный 1, что приводит к:
- замыканию ключа 11 и снятию блокировки дозирования топлива в основные коллекторы ФКС, начинается дозирование топлива в соответствии с заданным значением, формируемым задатчиком 10,
- подключению к выходу переключателя 3 его первого входа, таким образом, к приводу гидроцилиндров створок PC подключается регулятор 1 степени расширения газов на турбине.
Регулятор 1 степени газов на турбине поддерживает заданную степень расширения газов на турбине. Фактическая степень расширения газов на турбине вычисляется делителем 7 по сигналам датчика 5 давления воздуха за компрессором и датчика 8 давления газа за турбиной.
Таким образом, до достижения условий устойчивой работы регулятора степени расширения газов поддерживается площадь критического сечения PC, обеспечивающая оптимальные условия запуска ФКС и запасы ГДУ двигателя, что позволяет запустить ФКС на дроссельных режимах работы ГТД вплоть до режима малого газа и снизить время полной приемистости двигателя.