Способ регулирования двухвального газотурбинного двигателя при запуске

 

Использование: для регулирования газотурбинных двигателей, в частности двухвальных ГТД, при запуске. Сущность изобретения: формируют сигнал достижения частотой вращения ротора высокого давления величины, соответствующей началу работы автомата приемистости, по которому вплоть до выхода двигателя на режим малого газа, закрывают перепуск газа из-за турбины высокого давления и открывают перепуск газа из-за турбины низкого давления. 4 ил.

Изобретение относится к области регулирования газотурбинных двигателей (ГТД) и может быть использовано при совершенствовании регулирования двухвальных ГТД при запуске.

Известен способ регулирования двухвального ГТД при запуске путем обводного перепуска части газов мимо группы ступеней турбины либо мимо одной из турбин ротора высокого или низкого давления двухвального ГТД [1] .

Недостаток этого способа - невозможность получения максимального прироста мощности турбин двухвального ГТД вследствие увеличения давления газа за турбиной, мимо которой перепускаются газы (снижается степень расширения газов в этой турбине).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению можно отнести способ регулирования двухвального ГТД при запуске [2] . Согласно этому способу регулирование двухвального ГТД осуществляется путем последовательного изменения расхода топлива автоматом запуска и автоматом приемистости в основную камеру сгорания по заданному закону, максимального раскрытия реактивного сопла и перепуска газа из-за турбины выcокого давления.

Однако этот способ не учитывает программы расхода топлива в камеру сгорания и подвода крутящего момента от пускового устройства к ротору двигателя, что снижает надежность запуска в период работы автомата приемистости за счет снижения запаса газодинамической устойчивости компрессора высокого давления.

Цель изобретения - повышение надежности запуска двухвального ГТД с автоматом приемистости и перепуском газа из-за турбин.

Поставленная цель достигается тем, что дополнительно формируют сигнал достижения чаcтотой вращения ротора высокого давления величины, соответствующей началу работы автомата приемистости, с момента появления которого и до выхода ГТД на режим малого газа перепускают газ только из-за турбины низкого давления.

На фиг. 1 показана схема устройства, реализующего предлагаемый способ регулирования двухвального ГТД при запуске; на фиг. 2 - характер изменения расхода топлива G_т в основную камеру сгорания двигателя по относительной частоте вращения компрессора высокого давления = n_к/n_кмакс при запуске ГТД в соответствии с прототипом; на фиг. 3 и 4 - рассчитанные на ЭВМ графики изменения по времени τ и запаса газодинамической устойчивости компрессора высокого давления Δ K_ук в процессе запуска двухвального ГТД (сплошная линия - без перепуска газа в турбинах, пунктирная - с перепуском газа за турбиной высокого давления в процессе периода запуска (прототипа), маркированная - с перепуском газа по предлагаемому способу).

Устройство содержит тахометр 1, соединенный с валом 2 ротора высокого давления ГТД, блок 3, содержащий задающее устройство и элемент сравнения, преобразователь 4, исполнительное устройство 5, соединенное с клапанами 6 и 7 перепуска газа из затурбинных полостей 8 и 9 турбины высокого 10 и низкого 11 давления.

Устройство работает следующим образом. С момента начала запуска ГТД клапан перепуска 6 (либо лента перепуска) открыт. По мере увеличения частоты вращения турбины высокого давления 10 происходит возрастание давления газов в затурбинной полости 8. Перепуск части газов из этой полости через клапан 6 в атмосферу (либо во второй контур при запуске двухконтурного двухвального ГТД) увеличивает перепад давления на турбине 10, а следовательно и ее мощность. Одновременно контролируется тахометром 1 изменение частоты вращения вала 2 ротора высокого давления, сигнал которой поступает в блок 3, в котором происходит его сравнение с заданным, соответствующим моменту вступления в работу автомата приемистости. В момент достижения частотой вращения вала 2 величины, соответствующей началу работы автомата приемистости, сигнал с блока 3 поступает на преобразователь 4, который приводит в действие исполнительное устройство 5. Под давлением исполнительного устройства 5 закрываются клапаны 6 и открываются до режима малого газа клапаны 7. В дальнейшем процесс запуска до режима малого газа осуществляется с перепуском газа из полости 9 через клапаны 7 в атмосферу (второй контур).

На фиг. 2 момент вступления в работу автомата приемистости показан точкой 1. Более позднее (правее точки 1) открытие клапанов 7 и закрытие клапанов 6 приводит к снижению минимального запаса газодинамической устойчивости компрессора высокого давления (Δ K_ук), наблюдаемого в процессе запуска при = 0,45. . . 0,6. Ранее (левее точки 1) перекрытие клапанов (открытие 7 и закрытие 6) хотя и в большей степени увеличивает Δ K_ук в диапазоне = 0,45. . . 0,6, но приводит к увеличению продолжительности запуска. Перекрытие клапанов в диапазоне левее точки 2 не приводит к увеличению и в большей степени увеличивает продолжительность запуска.

Количество клапанов перепуска и их производительность определяются возможностью наибольшего снижения давления газов в затурбинных полостях 8 и 9, поскольку использование энергии выходящих газов для получения тяги двигателя в реактивном сопле на режиме запуска не является определяющим.

На фиг. 3 показано сплошной линией изменение относительной частоты вращения ротора компрессора высокого давления по времени в процессе запуска ГТД без перепуска газа в турбинах. Пунктирной линией показано изменение при перепуске газа за турбиной высокого давления в процессе всего периода запуска (прототип), маркированной линией - с перепуском газа в турбинах по предлагаемому способу. Из графиков фиг. 3 видно, что обеспечение перепуска газа только за турбиной высокого давления в процессе всего периода запуска обеспечивает наименьшую продолжительность запуска. Однако снижение мощности на турбине низкого давления 11 (фиг. 1) в этом случае приводит к запаздыванию роста частоты вращения компрессора низкого давления (увеличивается скольжение роторов), что увеличивает перепад давления воздуха на компрессоре высокого давления и снижает его запас газодинамической устойчивости (Δ K_ук).

Снижение на начальном этапе запуска мощности турбины низкого давления хотя и приводит к уменьшению Δ K_ук, это не снижает надежности запуска, поскольку в этом диапазоне частот вращения запасы газодинамической устойчивости компрессора высокого давления достаточно высокие. Во время же вступления в работу автомата приемистости происходит интенсивное увеличение расхода топлива, что приводит к росту температуры газов и вызывает недопустимое снижение Δ K_ук. Дополнительное снижение Δ K_ук обусловлено и отключением пускового устройства при = 0,5. Исключение в этом случае перепуска газов за турбиной высокого давления и применение перепуска газов за турбиной низкого давления интенсивно увеличивает частоту вращения компрессора низкого давления за счет увеличения перепада давления газов на турбине низкого давления, что увеличивает Δ K_ук при = 0,45. . . 0,6 (фиг. 4).

Сравнительный анализ показал, что применение перепуска газов в турбинах согласно способу практически не увеличивает продолжительность запуска по сравнению с запуском при применении перепуска газа только за турбиной высокого давления (увеличивает на 1,2 с - см. пунктирную и маркированную линии на фиг. 3), тогда как повышение минимального запаса газодинамической устойчивости компрессора высокого давления в диапазоне = 0,45. . . 0,6 происходит на 5% (см. пунктирную и маркированную линии на фиг. 4).

Моделирование на ЭВМ производилось с имитацией устанавливаемых клапанов перепуска, количество которых и их производительность принимались аналогично установленным на компрессорах существующих схем ГТД.

В случае применения способа в двухконтурных двухвальных ГТД эффект повышения Δ K_ук практически не снижается за счет малого противодавления воздуха второго контура на режиме запуска.

Следует отметить, что получение эффекта повышения Δ K_ук на 5% за счет снижения расхода топлива автоматом приемистости приводит к увеличению продолжительности запуска на 25% . Возможное достижение исходной продолжительности запуска увеличением расхода топлива автоматом запуска (на начальном этапе запуска) ограничивается максимально допустимым уровнем температуры газов.

Дополнительным эффектом способа является возможность его использования для сокращения продолжительности переходных режимов работы ГТД и повышения газодинамической устойчивости его элементов в случаях, допускающих (на период открытия клапанов) потерю тяги двигателя.

Формула изобретения

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВУХВАЛЬНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ЗАПУСКЕ путем последовательного изменения расхода топлива автоматом запуска и автоматом приемистости в основную камеру сгорания по заданному закону, максимального раскрытия реактивного сопла и перепуска газа из-за турбины высокого давления, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, формируют сигнал достижения частотой вращения ротора высокого давления величины, соответствующей началу работы автомата приемистости, по которому вплоть до выхода двигателя на режим малого газа закрывают перепуск газа из-за турбины высокого давления и открывают перепуск газа из-за турбины низкого давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4