СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЛОЩАДЬЮ КРИТИЧЕСКОГО СЕЧЕНИЯ РЕАКТИВНОГО СОПЛА ДВУХКОНТУРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к авиационной технике и может быть использована для управления работой двухконтурных газотурбинных двигателей (ГТД) летательных аппаратов за счет регулирования площади критического сечения реактивного сопла ГТД.
Управление работой двигателей летательных аппаратов за счет регулирования площади критического сечения реактивного сопла известно довольно давно. Так, например, известен способ регулирования двухконтурного турбореактивного двигателя путем поддержания заданной степени повышения давления воздуха в вентиляторе изменением площади сечения реактивного сопла, причем для обеспечения оптимальных характеристик двигателя, измеряют степень повышения давления воздуха в компрессоре и задают степень повышения давления в вентиляторе как функцию от степени повышения давления в компрессоре.
(см. а.с. СССР №410669, кл. F02K 1/64, 2005 г.)
т
Т
гф
Т
π
π
Известен способ отладки ГТД с форсажной камерой, реализуемый системой, которая оснащена датчиком температуры (Т)газов за турбиной, датчиком перепада давления газов на турбине ( ), автоматом управления (F) по сигналу ( ), датчиком положения гидроцилиндров сопла, автоматом подачи форсажного топлива с настроечным элементом.
Система также содержит пульт управления, связанный входами с поименованными выше датчиками. Пульт включает преобразователь сигналов, вычислитель, соединенный с преобразователем, элемент сравнения, связанный с выходами преобразователя и вычислителя.
т
При функционировании системы на вход преобразователя сигналов поступают сигналы с датчика температура (Т) газов за турбиной и с датчика положения гидроцилиндров сопла. На выходе преобразователя сигналов формируется единый цифровой код сигналов датчиков, который поступает на вход вычислителя. Сигналы с выхода преобразователя сигналов поступают в вычислительное устройство для расчета потребного значения площади реактивного сопла по формуле
гф
гм
т
фзад
где F и F - площади реактивного сопла на форсажном и бесфорсажном режимах соответственно, Т и Т - замеренное и заданное значение температуры газа за турбиной. При отладке двухконтурных газотурбинных двигателей, потребное значение площади реактивного сопла определяют по формуле
2т
где Т - температура газов за турбиной после смещения обоих потоков.
Сигнал с выхода вычислительного устройства, характеризующий заданную площадь реактивного сопла поступает на вход элемента сравнения, где формируется управляющий сигнал.
т
гф
При работе двигателя в форсажном режиме на вход преобразователя сигналов поступают сигналы с датчика температура (Т) газов сопла и датчика положения гидроцилиндров сопла. Преобразованный сигнал с выхода преобразователя сигналов поступает на вход элемента сравнения, где он сравнивается с расчетным значением (F).
Δ
На выходе элемента сравнения формируется сигнал F, по которому меняется настройка автомата подачи топлива за счет изменения настроечного элемента.
гф
Δ
Команда для изменения настройки автомата подается (в ручном или автоматическом режиме) до тех пор, пока проходная площадь реактивного сопла не станет равной потребному значению F(F=0).
(см. патент РФ №2383001, кл. F01M 15/00. 2010 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известной системы необходимо отметить, что она довольно инерционна, что не обеспечивает оперативного эффективного регулирования ГТД, особенно на переходных режимах его работы.
Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка системы управления площадью критического сечения реактивного сопла двухконтурного ГТД, обеспечивающего повышение экономичности ГТД по топливу, а также обеспечивающую оперативную и эффективную компенсацию возмущений по газовоздушному тракту.
Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что в системе управления площадью критического сечения реактивного сопла двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащей исполнительный механизм, связанный через регулятор с выходом элемента сравнения, а также программное устройство, новым является то, что система снабжена делителем, вторым элементом сравнения, первым и вторым сумматорами, вторым и третьим 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 второго 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.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы управления площадью критического сечения реактивного сопла двухконтурного ГТД.
2
4
Система управления площадью критического сечения реактивного сопла двухконтурного ГТД 1 содержит исполнительный механизм 2 управления площадью критического сечения реактивного сопла. Данный исполнительный механизм может быть выполнен различным образом, например, в виде гидроцилиндра или электродвигателя. Механизм 2 связан с регулятором 3. Регулятор предназначен для выработки управляющего сигнала и подачи его на исполнительный механизм. В качестве регулятора используется стандартный гидромеханический блок. Вход регулятора 3 связан с выходом первого элемента сравнения 4, первый вход которого связан с выходом делителя 5. Делитель 5 выполнен в виде стандартного гидромеханического блока, разность давлений в котором определяется соотношением плеч рычагов. Входы делителя 5 имеют возможность соединения с датчиком (не показан) давления газа за компрессором (р) и датчиком (не показан) давления газа за турбиной (p).
Система также оснащена первым 6 и вторым 7 программными устройствами, вторым элементом сравнения 8, первым сумматором 9. третьим программным устройством 10, корректором 11 и вторым сумматором 12.
вх
руд
Входы первого 6 и второго 7 программных устройств имеют возможность соединения с датчиком (не показан) температуры воздуха (Т) на входе в ГТД. Третье программное устройство имеет возможность связи с рычагом (не показан) управления ГТД (α).
т1
вх
Первое программное устройство 6 предназначено для формирования программного значения степени сжатия газов на турбине (π°) в зависимости от внешних условий (Т).
вх
Второе программное устройство 7 предназначено для формирования программного значения частоты вращения ротора низкого давления в зависимости от внешних условий (Т).
руд
Третье программное устройство 10 предназначено для формирования программного значения частоты вращения ротора низкого давления в зависимости от положения рычага управления двигателем (α).
Первое, второе и третье программные устройства могут быть выполнены различным известным образом, например, в виде профилированных кулачков, рабочие профили которых обеспечивают получение заданных характеристик на выходе.
1
Выходы программных устройств 7 и 10 связаны с входами первого сумматора 9, выход которого связан с первым входом второго элемента сравнения 8, второй вход которого имеет возможность соединения с датчиком частоты вращения ротора низкого давления (n).
1
т2
Выход второго элемента сравнения связан с входом корректора 11. Корректор 11 предназначен для преобразования рассогласования (Δ n) во второе слагаемое заданного значения (π°) и может быть выполнен в виде стандартного усилителя с переменным коэффициентом усиления.
Выход корректора 11 связан с первым входом второго сумматора 12, второй вход которого связан с выходом первого программного устройства 6.
Выход второго сумматора 12 связан со вторым входом первого элемента сравнения 4.
Система управления площадью критического сечения реактивного сопла двухконтурного ГТД функционирует следующим образом.
Перед эксплуатацией ГТД его программные устройства 6, 7, 10 настраивают на заданные параметры:
т1
вx
вх
- в программном устройстве 6 реализуется заданная зависимость π°=f(T), обеспечивающая желаемое значение степени расширения газа на турбине в зависимости от внешних условий, характеризуемых значением Т, выбираемых из условия обеспечения высотно-скоростных характеристик ГТД;
1.1
вх
вх
- в программном устройстве 7 реализуется заданная зависимость n°=f(T), обеспечивающая желаемое значение частоты вращения ротора низкого давления в зависимости от внешних условий, характеризуемых значением Т, выбираемых из условия обеспечения высотно-скоростных характеристик двигателя;
1.2
руд
руд
- в программном устройстве 10 реализуется заданная зависимость n°=f(α), обеспечивающая желаемое значение частоты вращения ротора низкого давления в зависимости от режима работы двигателя, характеризуемых значением α, выбираемых из условия обеспечения дроссельных характеристик двигателя.
т1
вх
1.1
вх
1.2
руд
Необходимые значения π°=f(Т), n°=f(Т) и n°=f(α) определяются на этапе проектирования ГТД и могут уточняться при его испытании и эксплуатации.
вх
2
4
1
В процессе работы ГТД параметры Т, р, p, n с датчиков поступают на:
вх
Т - на программные устройства 6 и 7;
1
n - на второй вход второго элемента сравнения 8;
2
4
р и р - на входы делителя 5.
т
2
4
т
В делителе 5 осуществляется операция деления (π=p/p) и полученный сигнал (π), характеризующий степень расширения газа на турбине в процессе ее работы, поступает на первый вход первого элемента сравнения 4.
вх
т1
1.1
Параллельно сигналы значения температуры (Т) поступают на входы первого 6 и второго 7 программных устройств, где формируются программные управляющие сигналы значения степени расширения газа на турбине в зависимости от температуры воздуха на входе в ГТД (π°) и частоты вращения ротора низкого давления (n°).
т1
1.1
1.2
1
1
1
т2
т2
1
Сформированный в устройстве 6 сигнал (π°) поступает на второй вход сумматора 12, а полученный в устройстве 7 сигнал (n°) поступает на вход сумматора 9, на другой вход которого поступает сигнал (n°) с третьего программного устройства 10. С выхода сумматора 9 суммированный сигнал (n°) поступает на первый вход второго элемента сравнения 8, на второй вход которого поступает сигнал с датчика частоты вращения ротора низкого давления (n). В элементе сравнения 8 вычитаются поступающие на его входы сигналы и сформированный сигнал (Δn), поступает на вход корректора 11, где преобразуется в параметр π° по формуле: π°=К*Δn. Коэффициент К является наперед заданным.
т2
т1
т
т
Выходной сигнал (π°) с данного блока поступает на первый вход сумматора 12, на второй вход которого поступает сигнал (π°) с программного устройства 6. Выходной сигнал (π°) с сумматора 12, характеризующий заданную степень расширения газа на турбине, поступает на второй вход первого элемента сравнения 4, где сравнивается с сигналом, поступившем с делителя 5. Выходной управляющий сигнал с выхода элемента сравнения 4 (Δ π) поступает в регулятор 3, где формируется сигнал требуемого положения исполнительного механизма 2. С регулятора 3 управляющий сигнал (Fc) поступает на исполнительный механизм 2 исполнительный орган которого регулирует соответствующим образом площадь критического сечения реактивного сопла ГТД 1.
т
т
т
Система отрегулирована таким образом, что на установившихся режимах работы ГТД сигналы (π) и (π°) компенсируют друг друга и сигнал (Fc) равен нулю. В противном случае исполнительный механизм регулируют таким образом, чтобы данное значение стремилось к нулю, но это довольно инерционное регулирование. Оперативное регулирование осуществляется по контуру регулирования π
т
т
2
4
Система обеспечивает оптимальное соотношение частот вращения ротора высокого давления и ротора низкого давления и, тем самым, обеспечивает высокую экономичность ГТД по топливу на дроссельных режимах и в полете, а также обеспечивает быстрое перекрывание (компенсацию) возмущения по газовоздушному тракту за счет применения контура управления по π (степени расширения газа на турбине: π=р/р).