Способ и система управления газотурбинного двигателя



Способ и система управления газотурбинного двигателя

 


Владельцы патента RU 2418183:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к области авиационной техники, а точнее касается автоматического управления самолета с газотурбинным двигателем с форсажной камерой. Предварительно для двигателя с нулевой наработкой формируют зависимость Tт=f(n), где температура газа за турбиной (Тт), частота вращения ротора компрессора (n). При управлении форсажным режимом сравнивают фактическое значение частоты вращения ротора (nфак) со значением частоты вращения ротора двигателя с нулевой наработкой при фактической температуре. При наличии разности (Δn) между ними выдают сигнал, пропорциональный разности, и по нему корректируют программу подачи топлива в форсажную камеру сгорания из условия обеспечения заданного коэффициента избытка воздуха (). Система управления газотурбинного двигателя содержит автомат подачи топлива в форсажную камеру (Gтф) по сигналам давления воздуха за компрессором (Рк) и температуры воздуха на входе ГТД (Твх), датчики температуры газа за турбиной (Тт), частоты вращения ротора компрессора (n) и перепада давления на турбине (πт) и регулятор створок реактивного сопла, включающий элемент сравнения заданного и фактического значений πт. Система содержит дополнительно запоминающее устройство функциональной зависимости Тт=f(n) и элемент сравнения. Один вход устройства функциональной зависимости соединен с датчиком температуры газа за турбиной Тт, а выход - с элементом сравнения частот вращения. Другой вход элемента сравнения соединен с датчиком частоты вращения ротора компрессора, а выход, через узел коррекции по Δn программы подачи топлива Gтф связан с автоматом подачи топлива. Техническим результатом является оптимизация тяги газотурбинного двигателя с наработкой на форсажном режиме. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области авиационной техники, а точнее касается способа и системы автоматического управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой.

Известен способ управления газотурбинного двигателя с форсажной камерой воздействием на расход топлива в форсажную камеру ГТД из условия обеспечения заданного значения коэффициента избытка воздуха где ĠB - расход воздуха, Ġт0 и Ġтф - расход топлива соответственно в основной и форсажной камерах, L0 - расход воздуха, необходимого для полного сгорания 1 кг топлива (Ю.Н.Нечаев, P.M.Федоров. Теория авиационных газотурбинных двигателей, М., Машиностроение, 1978, часть 2, стр.70).

Известный способ не позволяет достичь максимально возможного значения тяги на форсажном режиме при ухудшении с наработкой КПД газогенератора.

Наиболее близким техническим решением является способ управления форсажным режимом газотурбинного двигателя (ГТД) путем воздействия на подачу топлива в форсажную камеру сгорания (Gтф) и площадь реактивного сопла (Fc). Воздействия формируют программными регуляторами (автоматом подачи топлива и автоматом управления реактивным соплом), исходя из условия оптимизации значений коэффициента избытка воздуха и перепада давлений газа на турбине (πт) для обеспечения максимально возможного значения тяги (R) ГТД по фактически измеренным значениям параметров, определяющих работу двигателя, таким как, например, температура и давление.

Известно управление форсажными режимами ГТД, реализующее зависимости Gтф=Pкf(Tвх) и πт=f(Tвх), где Рк - фактическое значение давления воздуха за компрессором, Tвx - фактическое значение температуры воздуха на входе в ГТД, πт - перепад давлений газа на турбине (Ю.Н.Нечаев, P.M.Федоров. Теория авиационных газотурбинных двигателей, М., Машиностроение, 1978, часть 2, стр.188).

Устройство, реализующее способ, включает датчики, измеряющие соответствующие параметры, автомат подачи топлива в форсажную камеру (Gтф) по сигналам давления воздуха за компрессором (Рк) и температуры воздуха на входе ГТД (Твх) и автомат управления реактивным соплом (Fc), a также датчики температуры газа за турбиной (Тт) и частоты вращения ротора компрессора (n) (там же).

Для обеспечения максимально возможного значения тяги (R) ГТД в качестве параметров, определяющих программы управления форсажным режимом, используют измеряемые значения Рк и Твх, а вид зависимости определяется, в частности, характеристиками газогенератора ГТД.

Однако, с наработкой при эксплуатации самолета происходит ухудшение характеристик газогенератора ГТД из-за падения КПД компрессора (ŋк) и турбины (ŋт). Это приводит к тому, что управление форсажным режимом становится менее эффективным в силу неоптимальности с точки зрения обеспечения тяги ГТД из-за того, что не учитываются эксплуатационные изменения характеристик газогенератора.

В основу изобретения положена задача повышения эффективности работы ГТД с наработкой на форсажном режиме.

Техническим результатом является оптимизация тяги ГТД с наработкой на форсажном режиме.

Поставленная задача решается тем, что в заявленном способе управления газотурбинным двигателем, при котором измеряют параметры, характеризующие работу двигателя, в том числе температуру газа за турбиной (Тт), частоту вращения ротора компрессора (n), перепад давления на турбине (πт), и управляют форсажным режимом путем воздействия на реактивное сопло и подачу топлива в форсажную камеру сгорания по заданной программе, предварительно для двигателя с нулевой наработкой формируют зависимость Tт=f(n), и при управлении форсажным режимом сравнивают фактическое значение частоты вращения ротора (nфак) со значением частоты вращения ротора двигателя с нулевой наработкой при фактической температуре и при наличии разности (Δn) между ними выдают сигнал, пропорциональный разности, и по нему корректируют программу подачи топлива в форсажную камеру сгорания из условия обеспечения заданного значения коэффициента избытка воздуха

Целесообразно, чтобы дополнительно по сигналу разности (Δn) корректировали бы управление площадью реактивного сопла из условия обеспечения максимально возможной тяги ГТД.

Поставленная задача решается также тем, что система управления газотурбинного двигателя, содержащая автомат подачи топлива в форсажную камеру (Gтф) по сигналам давления воздуха за компрессором (Рк) и температуры воздуха на входе ГТД (Твх), датчики температуры газа за турбиной (Тт), частоты вращения ротора компрессора (n) и перепада давления на турбине (πт), и регулятор створок реактивного сопла, включающий элемент сравнения заданного и фактического значений πт, один вход которого соединен с датчиком перепада давлений на турбине, а другой - с узлом формирования заданного значения этого перепада, дополнительно содержит запоминающее устройство функциональной зависимости Tт=f(n), вход которого соединен с датчиком температуры газа за турбиной Тт, а выход - с элементом сравнения частот вращения, при этом другой вход элемента сравнения соединен с датчиком частоты вращения ротора компрессора n, a выход связан через узел коррекции по Δn программы подачи топлива Gтф по Δn с автоматом подачи топлива.

Целесообразно, чтобы в системе был дополнительно установлен узел коррекции заданного перепада давлений (πт) по Δn, вход которого соединен с выходом элемента сравнения частот вращений, а выход - с узлом формирования заданного значения перепада давлений на турбине.

Для получения информации об ухудшении характеристик газогенератора предлагается использовать функционально связанные параметры - температуру газа за турбиной (Тт) и частоту вращения ротора компрессора (n) в виде зависимости Тт=f(n), полученной для двигателя с нулевой наработкой техническими средствами, например, приборными замерами и/или компьютерным моделированием.

При падении ŋк и ŋт эта зависимость меняется таким образом, что при одном и том же значении Тт значение n уменьшается.

Поэтому сигнал разности nном-nфак при Тт - const может служить мерой ухудшения характеристики газогенератора с наработкой (где nном - номинальное значение частоты вращения для двигателя с нулевой наработкой, nфак - текущее значение n).

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется описанием и чертежом, на котором представлена блок-схема устройства, реализующего данный способ.

Система включает: ГТД как объект управления - 1, датчик 2 давления за компрессором, датчик 3 температуры воздуха на входе в двигатель, датчик 4 перепада давлений на турбине, элемент сравнения 5 фактического и заданного значений перепада давлений (πт и πт зад соответственно), узел 6 формирования заданного значения перепада давлений турбины, регулятор 7 створок реактивного сопла, узел 8 коррекции заданного значения перепада давлений, узел 9 сравнения номинального значения частоты вращения ротора и фактического, датчик 10 частоты вращения ротора, узел 11 формирования зависимости Tт=f(n) для двигателя с нулевой наработкой, датчик 12 температуры газа за турбиной, узел 13 коррекции программы подачи топлива в форсажную камеру сгорания, регулятор 14 подачи топлива в форсажную камеру сгорания.

Предлагаемая схема работает следующим образом.

В узле 11 предварительно формируют зависимость Тт=f(n) для двигателя с нулевой наработкой. При работе ГТД 1 на вход узла 11 с датчика 12 поступает сигнал Тт, и, используя зависимость Tт=f(n), определяют nном и подают этот сигнал на вход в узел 9 сравнения, где формируется разность сигнала с датчика 10 и узла 11 (Δn=nфак-nном). Далее сигнал Δn поступает в узлы коррекции 13 и 8 для изменения программы управления Gтф и Fc.

Программа управления Gтф выполняется по сигналам с датчиков 2 и 3, подаваемым на вход регулятора 14, обеспечивая закон Gтфкf(Твх). Этот закон корректируется по сигналу Δn, поступающему с узла сравнения 9 на вход регулятора 14.

Управление реактивным соплом выполняется регулятором 7 по сигналу с элемента сравнения 5, на вход которого поступает сигнал с датчика 4 (πт) и сигнал с узла 6 формирования (πзад). Площадь сопла (Fc) меняется до тех пор, пока πт не станет равным πт задтт зад). Формирование πт зад осуществляется в узле 6 по сигналу с датчика 3 (Твх) и корректируется узлом 8 по сигналу, поступающему с узла сравнения 9.

Законы коррекции πт зад и Gтф определяются либо экспериментально, либо расчетным путем из условия обеспечения заявленных значений тяги ГТД при заданном значении коэффициента избытка воздуха

При небольшой наработке ГТД, когда КПД газогенератора практически не изменился, а значит и зависимость Тт=f(n) соответствует номинальной, коррекции программы не происходит, т.к. Δn=0.

По мере ухудшения характеристик газогенератора меняется зависимость Тт=f(n), что приводит к росту Δn пропорционально падению КПД генератора.

Таким образом, в зависимости от Δn меняется потребная величина коррекции основных программ управления Gтф и Fc.

Предлагаемый способ управления позволяет уменьшить потерю тяги ГТД при ухудшении характеристик газогенератора с наработкой за счет коррекции программ управления Gтф и Fc по параметру, в качестве которого применяют разность между фактическим и номинальным значением n при фактическом значении Тт.

Таким образом, программы формируются как Gтфкf1(Tвх)+f2(Δn) и πт зад=f3вх)+f4(Δn), где f1(Tвx) и f3вх) - функциональные зависимости в программах подачи топлива в форсажную камеру и при формировании πт зад соответственно, f2(Δn) и f4(Δn) - функции, корректирующие программы.

1. Способ управления газотурбинным двигателем, при котором измеряют параметры, характеризующие работу двигателя, в том числе температуру газа за турбиной (Тт), частоту вращения ротора компрессора (n), перепад давления на турбине (πт), и управляют форсажным режимом путем воздействия на реактивное сопло и подачу топлива в форсажную камеру сгорания по заданной программе, отличающийся тем, что предварительно для двигателя с нулевой наработкой формируют зависимость Tт=f(n), и при управлении форсажным режимом сравнивают фактическое значение частоты вращения ротора (nфак) со значением частоты вращения ротора двигателя с нулевой наработкой при фактической температуре и при наличии разности (Δn) между ними выдают сигнал, пропорциональный разности, и по нему корректируют программу подачи топлива в форсажную камеру сгорания из условия обеспечения заданного значения коэффициента избытка воздуха

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно по сигналу разности (Δn) корректируют управление площадью реактивного сопла из условия обеспечения максимально возможной тяги ГТД при заданном значении коэффициента избытка воздуха

3. Система управления газотурбинного двигателя, содержащая автомат подачи топлива в форсажную камеру (Gтф) по сигналам давления воздуха за компрессором (Рк) и температуры воздуха на входе ГТД (Твх), датчики температуры газа за турбиной (Тт), частоты вращения ротора компрессора (n) и перепада давления на турбине (πт), и регулятор створок реактивного сопла, включающий элемент сравнения заданного и фактического значений πт, один вход которого соединен с датчиком перепада давлений на турбине, а другой - с узлом формирования заданного значения этого перепада, отличающаяся тем, что дополнительно содержит запоминающее устройство функциональной зависимости Tт=f(n), вход которого соединен с датчиком температуры газа за турбиной Тт, и элемент сравнения частот вращения, связанный входом с устройством функциональной зависимости, при этом другой вход элемента сравнения соединен с датчиком частоты вращения ротора компрессора n, а выход связан через узел коррекции программы подачи топлива Gтф по Δn с автоматом подачи топлива.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что дополнительно установлен узел коррекции заданного перепада давлений по Δn, вход которого соединен с выходом элемента сравнения частот вращений, а выход - с узлом формирования заданного значения перепада давлений на турбине.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в системах автоматического управления (САУ) газотурбинными двигателями (ГТД), применяемыми в составе газотурбинных установок (ГТУ) для привода электрогенераторов (ЭГ) наземных транспортных средств.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах (САУ) автоматического управления ГТД.

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронных системах автоматического управления (САУ) газотурбинными двигателями (ГТД) со свободной турбиной, применяемыми в составе газотурбинных установок (ГТУ) для привода электрогенераторов (ЭГ) газотурбинных электростанций (ГТЭС).

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах (САУ) автоматического управления ГТД.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах (САУ) автоматического управления ГТД.

Изобретение относится к способу повышения эксплуатационной гибкости генерирующей ток установки с турбоагрегатом, содержащим турбину и соединенный с турбиной электрический генератор, при этом задают заданное значение мощности (P1) и задают будущий целевой момент времени (t1), в который турбоагрегат должен иметь заданное значение мощности (P1), так что с помощью заданного значения мощности (P1) и целевого момента времени (t1) определяют кривую мощности, при этом управляют турбоагрегатом исходя из действительной мощности (Р0) в действительное время (t0) вдоль кривой мощности так, что заданное значение мощности (P1 ) достигается в заданный целевой момент времени (t1 ).

Изобретение относится к авиаприборостроению, а именно к системам автоматического регулирования (САР) газотурбинных двигателей (ГТД). .
Изобретение относится к системам управления топливоподачей совместно с управлением другим параметром турбореактивного двигателя, а именно совместно с управлением реактивным соплом

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах (САУ) автоматического управления ГТД

Изобретение относится к способу оценки толщины стенки полой детали типа лопатки газотурбинного двигателя, по меньшей мере в одной точке, имеющей определенный радиус кривизны в этой точке, внутри интервала радиусов кривизны и определенных значений толщины, заключающийся в том, что определяют величины импеданса электрической цепи, образованной датчиком токов Фуко, наложенным на стенку, вводят эти величины на вход блока цифровой обработки с нейронной сетью

Изобретение относится к системам автоматического управления (САУ) переходными режимами газотурбинных двигателей (ГТД)

Изобретение относится к способу, предназначенному для уменьшения в газотурбинном двигателе скорости вращения турбины, содержащей ротор, приводящий в движение тот или иной вал и имеющий возможность вращаться внутри статора, в случае разрушения упомянутого вала

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронных системах автоматического управления (САУ) газотурбинными двигателями (ГТД) со свободной турбиной, применяемыми в составе газотурбинных установок (ГТУ) для привода электрогенераторов (ЭГ) газотурбинных электростанций (ГТЭС)

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах (САУ) автоматического управления ГТД

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах (САУ) автоматического управления ГТД

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в системах автоматического управления газотурбинными двигателями (ГТД)

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах (САУ) автоматического управления газотурбинными двигателями (ГТД) и газотурбинными установками (ГТУ) различного применения (для привода нагнетателей газоперекачивающих агрегатов - ГПА, и электрогенераторов газотурбинных электростанций - ГТЭС)
Наверх