Способ управления газотурбинным двигателем

 

Использование: авиадвигателестроение, системы управления газотурбинными двигателями с регулируемыми направляющими аппаратами компрессора. Сущность изобретения: подача топлива производится по сигналу разности заданной и измеренной частот вращения с дополнительным воздействием на расход топлива в зависимости от угла установки направляющих аппаратов с передаточной функцией, равной отношению передаточной функции двигателя по каналу воздействия направляющих аппаратов на частоту вращения и передаточной функции двигателя по каналу воздействия расхода топлива на частоту вращения. 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к области авиадвигателестроения, а именно к способам управления газотурбинных двигателей, и может быть использовано предприятиями, занимающимися проектированием и доводкой систем автоматического управления (САУ) газотурбинных двигателей ГТД.

Известен способ управления ГТД путем подачи топлива по сигналу разности заданной и измеренной частоты вращения и управления направляющими аппаратами компрессора по измеренной частоте вращения ГТД.

Как известно из литературы, совместная работа двух контуров регулируемого параметра приводит к уменьшению запасов устойчивости всей системы, т. к. работа второго замкнутого контура, например контура регулирования положения направляющих аппаратов компрессора, является возмущением воздействия для работы системы регулирования топливопитания основной камеры сгорания, замкнутой, например, по частоте вращения ротора.

Цель изобретения - повышение точности поддержания частоты вращения.

Указанная цель достигается тем, что в способе управления газотурбинным двигателем, основанном на подаче топлива по сигналу разности заданной и измеренной частоты вращения и управления направляющими аппаратами компрессорами по измеренной частоте вращения, определяют передаточную функцию по каналам воздействия направляющих аппаратов и расхода топлива на частоту вращения, находят их отношение и дополнительно осуществляют воздействие на подачу топлива в зависимости от угла установки направляющих аппаратов с передаточной функцией, равной определенному отношению передаточной функции двигателя по каналу воздействия направляющих аппаратов на частоту вращения к передаточной функции двигателя по каналу воздействия расхода топлива на частоту вращения. Производя коррекцию расхода топлива в основную камеру сгорания, достигают компенсацию возмущающего воздействия второго замкнутого контура по каналу управления геометрии проточной части на работу степени регулирования топлива питания основной камеры сгорания, замкнутой по внутридвигательному параметру (например) по частоте вращения, что приводит к повышению точности поддержания регулируемого параметра двигателя и расширяет запасы устойчивости двухконтурной замкнутой системы регулирования до границ запасов устойчивости системы регулирования топливопитания основной камеры сгорания, замкнутой по внутридвигательному параметру, т. к. обеспечивается независимость работы топливопитания основной камеры сгорания, замкнутой по внутридвигательному параметру от канала регулирования геометрии проточной части двигателя.

Вышесказанное позволяет сделать вывод, что заявленный способ обладает свойствами, несовпадающими со свойствами известных технических решений, и может квалифицироваться как соответствующий критерию "существенные отличия".

Устройство содержит объект регулирования, т. е. газотурбинный двигатель 1, систему 2 регулирования топливопитания основной камеры сгорания с рычагом 3 управления двигателем (РУД). Система 2 регулирования топливопитания основной камеры сгорания замкнута с газотурбинным двигателем 1, например, по частоте вращения ротора через датчик 4 частоты вращения. Система регулирования топливопитания состоит из электронного регулятора 5, вход которого связан с датчиком 4 частоты вращения, а выход с одним из входов выходного устройства 6 (например, усилитель мощности), который в свою очередь соединен с исполнительным механизмом 7 насоса-регулятора 8, вал которого механически связан с валом двигателя 1, а выход посредством топливных коммуникаций соединен с основной камерой сгорания двигателя 1. При этом газотурбинный двигатель 1 имеет второй замкнутый контур регулирования геометрии проточной части двигателя, например контур регулирования положения направляющих аппаратов - компрессора, включающий в себя регулятор 9 направляющих аппаратов компрессора с элементом 10 управления (например, гидроцилиндра) положения направляющих аппаратов, механически связанного с направляющими аппаратами компрессора двигателя 1. Регулятор 9 направляющих аппаратов замкнут с двигателем 1 через датчик 4 частоты вращения по сигналу частоты вращения ротора.

Дополнительно элемент 10 управления положения направляющих аппаратов компрессора механически связан с датчиком положения 11 направляющих аппаратов, выход которого электрически соединен с блоком 12 коррекции расхода в основную камеру сгорания. Выход блока 12 коррекции соединен с вторым входом выходного устройства 6 системы 2 регулирования топливопитания основной камеры сгорания.

Блок 12 коррекции расхода топлива - нестандартный элемент, работа его основана на следующих соображениях.

Как известно из литературы, управление двигателя 1 по параметру частоты вращения ротора при наличии двух регулирующих органов, изменяющих расход топлива в камеру сгорания и положения направляющих аппаратов компрессора, имеет вид: (T_д P+1)Δ n= K G_т-K_αⁿ˙Δ α , где Δn - приращение частоты вращения ротора; ΔG_т - приращение расхода топлива в основную камеру сгорания; Δ α- приращение изменения положения направляющих аппаратов компрессора; T_д - постоянная времени двигателя; K - коэффициент усиления двигателя по каналу воздействия G_т->>n; K_αⁿ - коэффициент усиления двигателя по каналу воздействия; Р - оператор Лапласа.

Исходя из этого, рассмотрим обобщенную структурно-функциональную схему регулирования двигателя 1 при наличии двух регулирующих органов, изменяющих расход топлива и положение направляющих аппаратов, приведенную в приложении 1 к описанию (фиг. 2).

В соответствии с теорией автоматического регулирования данную структурно-функциональную схему можно преобразовать к виду, приведенному на фиг. 3, откуда видно, что для компенсации влияния второго замкнутого контура на систему регулирования расхода топлива в камеру сгорания, замкнутую по частоте вращения, необходимо ввести дополнительное воздействие по сигналу положения направляющих аппаратов на дозирование расхода топлива пропорционально отношению: W_α/ W cо знаком "+" (на схеме это отмечено штриховой линией). Следовательно, блок 12 коррекции должен реализовывать отношение двух передаточных функций двигателя Wⁿ_α/ W.

Для данного примера это отношение равно отношению коэффициентов усиления Wⁿ_α/ W = Kⁿ_α/ K . Блок 12 коррекции может быть выполнен в виде счетно-решающего устройства, реализующего отношение: Wⁿ_α/ W , а для конкретного примера это может быть операционный усилитель, коэффициент усиления которого равен отношению коэффициентов усиления двигателя по двум каналам Kⁿ_α/ K, которые могут быть определены расчетным или экспериментальным путем.

Способ реализуют следующим образом.

Рычагом 3 управления двигателя (РУД) через систему 2 регулирования топливопитания основной камеры сгорания выводят газотурбинный двигатель 1 на режим работы, при котором совместно работает система 2 регулирования топливопитания камеры сгорания и регулятор 9 направляющих аппаратов компрессора. Это происходит следующим образом.

Сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора двигателя 1, через датчик 4 частоты вращения одновременно поступает на электронный регулятор 5 системы 2 регулирования топливопитания основной камеры сгорания и на регулятор 9 направляющих аппаратов компрессора. В электронном регуляторе 5 этот сигнал сравнивается с заданным значением частоты вращения, которое устанавливается по сигналу положения рычага 5 управления двигателя. В зависимости от результата сравнения электронный регулятор 5 выдает через выходное устройство 6 команду на исполнительный механизм 7 насоса-регулятора 8, который приводится во вращение от вала газотурбинного двигателя. Исполнительный механизм 7 по сигналу от выходного устройства 6 воздействует на дозирующий элемент насоса-регулятора 8, который соответствующим образом изменяет расход топлива в основную камеру сгорания двигателя 1 до значения, при котором частота вращения двигателя 1 будет равна заданной. Одновременно регулятор 9 направляющих аппаратов также получает на вход сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора двигателя 1, по которому в соответствии с заполненной программой через элемент 10 управления устанавливает такое положение направляющих аппаратов компрессора, которое соответствует заданному режиму работы двигателя 1, который был установлен системой 2 регулирования топливопитания основной камеры сгорания двигателя 1 в зависимости от положения рычага 3 управления. В процессе работы газотурбинного двигателя 1 на заданном режиме от внешних возмущений или от работы регулятора 9 направляющих аппаратов компрессора происходят отключения положения направляющих аппаратов от исходного положения. Эти прекращения определяются датчиком 11 положения, который вырабатывает сигнал, пропорциональный положению направляющих аппаратов, и подает его на вход блока 12 коррекции расхода топлива. Блок 12 коррекции определяет прекращение сигнала, пропорционального положению направляющих аппаратов, по которому пропорционально отношению передаточных функций двигателя W_α/ W выдает сигнал коррекции расхода топлива на выходное устройство 6 системы 2 регулирования расхода топлива. Этот сигнал через выходное устройство 6 поступает на исполнительный механизм 7 насоса-регулятора 8, который в свою очередь воздействует на дозирующий элемент насоса-регулятора 8, под действием которого изменяется расход топлива в основную камеру сгорания двигателя 1, компенсируя тем самым возмущающие воздействия отклонений положения направляющих аппаратов на частоту вращения ротора двигателя 1.

По сравнению с прототипом способ управления ГТД позволяет обеспечить точное поддержание частоты вращения двигателя и увеличить запас устойчивости регулирования двухконтурной замкнутой системы регулирования до границ запасов устойчивости системы регулирования топливопитания основной камеры сгорания, замкнутой по внутридвигательному параметру. (56) Теория автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов. /Под ред. А. А. Шевинова. - М. : Машиностроение, 1976, с. 78.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ путем подачи топлива по сигналу разности заданной и измеренной частот вращения и управления направляющими аппаратами компрессора по измеренной частоте вращения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности поддержания частоты вращения и увеличения запасов устойчивости регулирования определяют передаточные функции по каналам воздействия направляющих аппаратов и расхода топлива на частоту вращения, находят их отношение и дополнительно осуществляют воздействие на подачу топлива в зависимости от угла установки направляющих аппаратов с передаточной функцией, равной определенному отношению передаточной функции двигателя по каналу воздействия направляющих аппаратов на частоту вращения к передаточной функции двигателя по каналу воздействия расхода топлива на частоту вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3