Способ защиты турбокомпрессора от помпажа и устройство для его осуществления

 

Использование: в двигателестроении, в частности в системах защиты газотурбинного двигателя от помпажа. Сущность изобретения: дополнительно измеряют давление воздуха за первой группой ступеней компрессора и давление газа на срезе реактивного сопла и формируют сигналы наличия помпажа в случае превышения пороговым значением суммы значений давления воздуха за компрессором, давления воздуха за первой группой ступеней компрессора и давления газа на срезе реактивного сопла или в случае превышения порогового значения задержанным на определенное время значением сигнала скорости изменения давления воздуха за компрессором. Устройство, реализующее способ, дополнительно содержит датчики давления воздуха за первой группой ступеней компрессора и газа на срезе реактивного сопла и сумматор. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в системах защиты газотурбинных двигателей от помпажа.

Известны способ защиты турбокомпрессора от помпажа и устройства для его осуществления. Известный способ осуществляется путем измерения давления воздуха за компрессором, определения скорости его изменения, сравнения с пороговым значением, задержки сигнала на заранее определенное время и использования его в качестве первого параметра защиты, измерения второго параметра турбокомпрессора, сравнения с пороговым значением и формирования сигнала наличия помпажа в систему защиты в случае одновременного поступления сигналов, соответствующих первому и второму параметрам турбокомпрессора. Известное устройство содержит датчик давления воздуха за компрессором, выход которого соединен через дифференциатор, пороговый элемент и элемент задержки с первым элементом И, вторые дифференциатор и пороговый элемент.

Недостатками способа и устройства являются низкая надежность распознавания помпажа, обусловленные одновременным отсутствием контроля тяги.

Целью изобретения является повышение надежности.

Поставленная цель достигается способом защиты турбокомпрессора от помпажа путем измерения давления воздуха за компрессором и давления воздуха за первой группой ступеней компрессора и подачи сигнала на клапан перепуска воздуха за компрессором, в котором измеряют давление газа на срезе реактивного сопла и формируют сигналы наличия помпажа в случае превышения пороговым значением суммы значений давления воздуха за компрессором, давления воздуха за первой группой ступеней компрессора и давления газа на срезе реактивного сопла или в случае превышения порогового значения задержанным на определенное время значением сигнала скорости изменения давления воздуха за компрессором.

Поставленная цель достигается также устройством, осуществляющим указанный способ, содержащим датчик давления воздуха за компрессором и последовательно соединенные с ним сумматор и второе пороговое устройство, а также датчик давления воздуха за первой группой ступеней компрессора, выход которого связан с вторым входом сумматора, в которое дополнительно введены дифференциатор и последовательно соединенные с ним элемент задержки, первое пороговое устройство и схема ИЛИ, второй вход которой связан с выходом второго порогового устройства, а также датчик давления газа на срезе реактивного сопла, выход которого связан с третьим входом сумматора, причем выход датчика давления воздуха за компрессором связан со входом дифференциатора.

На фиг. 1 и 2а, б, в представлены структурная схема устройства и его графики.

Устройство содержит датчик 1 давления воздуха за первой группой ступеней компрессора Р₂^(I), датчик 2 давления газа на срезе реактивного сопла (Р_с), датчик 3 давления воздуха за компрессором Р₂, дифференциатор 4, элемент 5 задержки, первое пороговое 6 устройство, сумматор 7, второе пороговое устройство 8, схему ИЛИ 9.

Устройство в статическом состоянии.

Датчик давления воздуха за первой группой ступеней компрессора Р₂^(I) 1 последовательно связан с сумматором 7, вторым пороговым устройством 8 и схемой ИЛИ 9. Датчик давления воздуха за компрессором Р₂ 3 последовательно связан с дифференциатором 4, элементом задержки 5, первым пороговым устройством 6 и схемой ИЛИ 9. Выход датчика давления газа на срезе реактивного сопла Р_с 2 и второй выход датчика давления воздуха за компрессором Р₂ 3 связаны соответственно с вторым и третьим входами сумматора 7.

Способ осуществляется следующим образом.

Сумматор 7 суммирует значения сигналов, поступающих с выходов датчика давления воздуха за первой группой ступеней компрессора Р₂^(I) 1, датчика давления газа на срезе реактивного сопла Р_с 2 и датчика давления воздуха за компрессором Р₂ 3. Далее с выхода сумматора 7 сигнал поступает во второе пороговое устройство 8, где сравнивается с его пороговым значением. Если пороговое значение второго порогового устройства 8 больше этого сигнала, то с выхода последнего выдается сигнал на схему ИЛИ 9.

Дифференциатор 4 дифференцирует значения сигнала, поступающего с выхода датчика давления воздуха за компрессором Р₂ 3. Далее сигнал поступает на вход элемента задержки 5, где он задерживается на определенный промежуток времени, так как даже при частичном помпажном срыве давление Р₂ более резко меняется, чем остальные параметры авиадвигателя, т.е. время изменения параметров уравнивается для уменьшения вероятности ложных срабатываний о помпаже.

В первом пороговом устройстве 6 сигнал, поступающий с выхода элемента задержки 5, сравнивается с его пороговым значением. Если пороговое значение первого порогового устройства 6 меньше этого сигнала, то с выхода последнего выдается сигнал на схему ИЛИ 9. Если на входе схемы ИЛИ 9 появится хотя бы один сигнал, то с ее выхода выдается сигнал на клапан перепуска воздуха за компрессором для устранения помпажного срыва.

Одним из важных параметров авиадвигателя является его тяга R.

Очевидно, что при появлении помпажных процессов тяга R будет значительно уменьшаться, поэтому ее можно использовать в качестве критерия устойчивости.

Известно, что составляющей величины тяги R является полный импульс потока I_c=C_тсС_с+С_т2^(I)C₂^(I)+C_т2С₂, где С_с, С₂, С₂^(I) скорости потока соответственно на срезе реактивного сопла, за компрессором и за его первой группой ступеней (этим самым учитывается один из наиважнейших выводов, т.е. в процессе появления и развития помпажа основную роль играет обмен энергией между группами ступеней компрессора); С_тс, С_т2, С_т2^(I) массовый расход газа в реактивном сопле, массовый расход воздуха за компрессором и его первой группой ступеней.

После преобразований массовых расходов G_тc= Q_cρ_c= S_cC_c· S · G₂= Q₂ρ₂= S₂C₂· S · G^I₂ Q^I₂ρ^I₂ S^I₂C S где Q_c, ρ_c, S_c, T_c объемный расход газа, плотность, площадь сечения, давление и температура на срезе реактивного сопла соответственно; Q₂, ρ₂, S₂, P₂, T₂ то же, но для компрессора; Q₂^(I), ρ₂^(I), S₂^(I), P₂^(I), T₂^(I) то же, но для выхода из первой группы ступеней компрессора: k и R₁ коэффициент адиабаты и газовая постоянная соответственно.

Таким образом, импульсы равны C_cS · μ₁P_c C₂S · μ₂P₂ C^I₂S · μ₃P^I₂ где μ₁= S μ₂= S
μ₃= S
Cледовательно, полный импульс равен
I_c= μ₁P_c+ μ₂P₂+ μ₃P₃^(I) Cравнение его с порогом позволяет записать изобретение, т.е.

P₂≥С_пор.1,
μ₁P_c+ μ₂P₂+ μ₃P₃^(I)≥ С_пор.2, где С_пор.1, С_пор.2 заранее заданные пороговые значения. Причем канал Р₂ введен с элементом задержки, так как Р₂ быстрее меняется при помпаже, чем остальные параметры (см. фиг. 2а, б и в).

Эффект распознавания помпажа заключается в вычислении и контроле тяги двигателя (в виде суммы параметров Р₂, Р₂^(I) и Р_с) и одновременном контроле "задержанного" значения сигнала Р₂, так как изменение последнего более значительно, чем остальных параметров. Причем с порогом сравнивается скорость изменения dP₂/dt, исключая вероятность ложного срабатывания (возможные малые колебания давления, которые всегда имеют место) о помпажных явлениях.

По сравнению с прототипом способы и устройство обладают более высокой точностью распознавания помпажа. Устройство не требует создания уникальной аппаратуры, может быть выполнено на базе обычных серийных элементов. Увеличение числа элементов ведет к незначительному увеличению стоимости устройства. Экономический эффект от использования изобретения достигается за счет увеличения ресурса силовой установки.

Формула изобретения

1. Способ защиты турбокомпрессора от помпажа путем измерения давления воздуха за компрессором, определения скорости его изменения, сравнения с пороговым значением, задержки сигнала на заранее определенное время и использования его в качестве первого параметра защиты, измерения второго параметра турбокомпрессора, сравнения с пороговым значением и формирования сигнала наличия помпажа в систему защиты в случае одновременного поступления сигналов, соответствующих первому и второму параметрам турбокомпрессора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, измеряют давление воздуха за первой группой ступеней компрессора и давление газа на срезе реактивного сопла, определяют скорости их изменений, сравнивают с пороговыми значениями и формируют сигнал, соответствующий второму параметру турбокомпрессора, в случае превышения скоростями изменения давления воздуха за первой группой ступени компрессора и давления газа на срезе реактивного сопла соответствующих пороговых значений.

2. Устройство защиты турбокомпрессора от помпажа, содержащее датчик давления воздуха за компрессором, выход которого соединен через дифференциатор, пороговый элемент и элемент задержки с первым элементом И, вторые дифференциатор и пороговый элемент, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, оно содержит датчик давления воздуха за первой группой ступеней компрессора, датчик давления газа на срезе реактивного сопла, сумматор, третьи дифференциатор и пороговый элемент и второй элемент И, причем выходы всех датчиков давления подсоединены к сумматору, выход которого через первый пороговый элемент подсоединен к элементу ИЛИ, к второму входу которого подсоединен выход второго порогового элемента, вход которого через элемент задержки связан с выходом дифференциатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2