Устройство для моделирования газотурбинных двигателей

 

О П И С А Н И Е 3I0261

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №вЂ”.ЧПК G 06g 7/48

Заявлено 05.l.1970 (Ж 1390730 18-24) с присоединением заявки №вЂ”

Приоритет—

Опубликовано 26.Vll.1971. Бюллетень ¹ 23

Дата опубликования описания 1.Х.1971

Комитет по делам изобретений и открытий ори Совете Министров

СССР

УДК 681 333(088 8) Авторы изобретения Г; И. Гордеев, В. И. Удавихин, И. Л. Швалев и В. В. Тиунов

Заявитель

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ГАЗОТУРБИ Н НЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Изобретение относится к области электронсных аналоговых систем, и, в частности, к системам моделирования газотурбинных двигателей и ис пытания их то пливных агрегатов.

Известны электронные аналоговые устройства и безмоторные стенды для испытания топливоретулирующей аппаратуры одновальных и .двухвальных а виа ционных двигателей, выполненных на базе элект роприводов типа

«генератор-двигатель» и элементов аналогоBoé Bû÷ècëèòåëüHoé техники.

Однако известные устройства не могут быть использованы для моделирования газотурбинных двигателей (ГТД) в случае, когда валы турбин компрессоров низкого и высокога давления и силовой турбины связаны между собой через газодинамичеакий тракт, имеют три обособленных,выхода по обо ротам, а топливный насос-регулятор регулирует подачу топлива в ,камеру сгорания в за висимости от обо ротов 2о всех трех выходпых валов. В таких успройстВ3х отсутствует возможность имитации влияния специальных узлов ГТД, например регулируемых сопловых аппаратов (PCA), на регулируемые;параметры ГТД.

25 ,Предлагаемое устройство позволяет проводить испытания и исследования топливорегулирующей алпарату ры трехвального ГТД, авязаттной с условиями работы строго определенными .физическими за конами, и представ- 0 ляет собой физико-математическую модель трехвального ГТД, динамика которого описывается .дифференциальными уравнениями вида. (T,p+ 1)knI =- K„AGт- — Е, Ьп., — lт,заре,; (Т,p —, — 1) гг == fi I- бт — ", . Ь,,Ьп, —,— К.,Ь рсд, (Т,р —,— 1) n, = К.„AGE. --, — K.„„,Üë,;- K,, n,-—,— К,,аурел —. К;-„ :, где TI, Т2, Тз — постоянные времени турбокомпрессоров низкого

К1 I, К1з, KI., Кзг и высокого давления и

К 2, К з, Кз Кз силовой турбины;

Кзз Кз, Кзз — статические коэффициенты передачи системы;

Ьбт — отклонение велнчипы расхода топлива от установившейся;

Мг, -1ггз, -гггз- — отклонение скоростей вращения турбокомпрессоров низкого и высоко"o давления и силовой турбисны; ;Рсл — отклонение величины загрузки РСА от уста Inвившейся;

Ь - — отклонение величины загрузки силовой турбины от установившейся.

31926!

Устройство имеет электрические, гидравлические и механические выходы для соединения с реалыным комплектом взаимосвязанных тс пливных алрегатов. Оно позволяет устранить отмеченные недостатки известных устройств и дает возможность получать заданные динамические и статические характеристики воспроизводимого объекта при высокой точности, повторяемости результатов моделирован ия и надежности. ,Предлагаемое устройство содержит три независимых электропривода постоянного тока типа «генератор — двигатель», три полупроводниковых релейных усилителя мощности, три датчика оборотов переменного тока с выпрямителями, шесть операционных усилителей

;постоянного тока, четыре блока постоянных времени, пять блоков нелиней-ности, датчик расхода жидкости турбинного ти па с преобразователем частотного сигнала в непрерывный, датчик углового перем»щения с преобразователем, согласующее устройство с электронным регулятором, согласующее входное устройсвво с электронным регулятором температуры, блок загрузки силовой турбины, регулятор положения РСА с силовой турбины и отличается от известных тем, что выходное напряжени датчика углового перемещения, пропорциональное положению РСА, через опера ционный усилитель постоянного тока .подключено на вход блока нелинейности, имитирующего функциональную зависимость статической характерисви ки силовой турбины от. регулятора положения РСА, и одновременно — ко входам блоков нелинейности, имиви рующих функциональную зависимость статической характеристики турбин ком прессоров низкого и высокого давления от регулятора положения РСА. Кроме того, выход датчика оборотов переменного тока, замеряющего скорость вращения вала электро привода, имитирующего ту рбоком п рессор низкого давления, подключен через выпрямитель параллельно на входы суммирующих операционных усилителей постоянного тока, выдающих управляющие сигналы в силовые следящие системы, имитирующие cIKopocTH в ращения валов турбокомIHpeccopa высокого давления и силовой турбины.

Такое устройство позволяет воспроизводить функциональную зависимость влияния регулятора, положения РСА в системе регулирования грехвального ГТД на,подачу топлива in каме ру сгорания и поддержания оборотов двигателя, а также газодинамичеакую связь турбоком прессора низкого давления с ту рбокомпрессором высокого давления и силовой турбиной, На чертеже представлена прияци пиальная схема предлагаемого устройства, содержащего электродвигатели 1 — 3 постоянного тока с неза,висимым возбуждением; генераторы 4 — б постоянного тока; полупроводниковые релейные усилители мощности 7 — 9; мульти пликаторы 10 — 12; датчики 13, 14, 15 оборотов пе ре3, 10, 15, 18), имитирующих соответственно скоростями вращения турбоком прессоров низкого и высокого давления и силовой турбины.

Таким образом, задающие электрические сигналы поступают на входы полупроводниковых релейных усилителей мощности 7 — 9, выходные на пряжения которых, в свою очередь, воздействуют на обмотки возбуждения генераторов 4 — 6 постоянного тока. Последние, увеличивая напряжение на якорях приводных

65 менного тока, установленные cooTâåòñòâåííî на валах мультипликаторов 10 — 12; выпрямители lб, 17, 18; датчик расхода 19 турбинного типа; преобразователь 20 электрического частотного сигнала датчика расхода в непрерывный датчик 21 углового перемещения ссгпло вого аппарата; преобразователь 22; операционные усилители 23 — 28 постоянного тока; блоки 29 — 32 лосто|янных времени; блоки 38—

87 нелинейности от одной переменной; блок 38 загрузки силовой турбины с рычагом управления 39; электронный регулятор тем пературы

40 с блоком 41 согласующего входного устройства; исследуемую топли вную аппаратуру, включающую в себя исполнительный механизм ограничителя температуры газов за турбиной 42, топливный насос-регулятор 43 с рычагом управления 44, регулятор-ограничитель

45 оборотов .силовой турбины, регулятор 4б положения РСА с рычагом 47 ручного управления, топливный насос 48 постоянного давления с регулятором оборотов, компрессора низкого давления; топливную систему 49 испытательного стенда; эквивалент форсунок двита25 теля 50.

При работе устройства в режиме модели трехвальногo ГТД с PCA силовой турбины рычаг у правления 44 исследуемого насоса-регулятора 43 устанавливается IB положение «маЗо лый газ», включаются элеквродвигатели 1 и 3, затем электродвигатель 2, который через мультипликатор 11 приводит во вращение,качающий узел насоса-регулятора 43 с некоторыми начальными обо1ротами, определяемыми величиной начального сигнала на выходе блоков нелинейности 34 и 37. Сигнал от датчика

19 расхода тороплива после преобразования в блоке 20 и усилителе 25 постоянного тока подается в виде уровня напряжения постоянного

4О тока на,входы блоков нелинейности 33, 34, 35, воспроизводящих статические характеристики по расходу топлива турбокомпрессоров низкого давления и силовой турбины.

В блоках 24, 32, 33, 27, 30, 84; 28, 29, 35

45 происходит формирование управляющих электрических сигналов, позволяющих на выходах усвройсвва получить соответствующие статические и динамические характеристики имитируемого трехвального дв игателя.

С выходов суммирующих операционных усилителей 2б, 27, 28 .постоянного тока, выдающих электрические сигналы, пропорциональные скорости вращения турбин ГТД, сигналы поступают на входы силовых следящих систем (поз. 7, 6, 1, 12, 18, lб; 8, 5, 12, 11, 14, 17; 9, 4, 310261

to

Зо

50

65 двигателей 1 — 3, повышают их скорости в)ращения. Через мульти)пликаторы 10 — 12 двигатели увеличивают обороты топливных агрегатов 48, 45, 48 до оборотов «малого газа».

Обратные связи в следящих системах (поз.

7, 6, 1, 12, 18, 16; 8, 5, 2, 11, 14, 17; 9, 4, 8, 10, 15, 18) )поз)воляют качественно поддерживать скорости вращения выходных .валов мультипли)като)ров 10 — 12 в зависимости от сигнала рассогласова)ния на входах )полупроводниковых релейных усилителей мощности 7 — 9, а также устранять дрейфы ско)рости вращения электродвигателей 1 — 3 )постоянного тока, обусловленные )внешними )п)ричинами.

Электрический сигнал, пропорциональный углу поворота сопло вых аппаратов, с выхода датчика 21 углового .перемещения через )преобразователь 22 и операционный усилитель 23

)постоянного тока поступает на вход блоков нелинейности 86, 87. Выходные на)п)ряжения последних подаются на входы суммируюгцих усилителей 24, 27, 28. Уровни на)пряжений, выдаваемые датчиком 21 углового перемещения, в зависимости от положения )рычага управления 47 регулятора PCA 46 обуславливают имитацию т)рех ocHOEHbrx режимов работы соплового ап)парата силовой турбины трехвального ГТД: загрузка, свободный режим и режим торможения.

На суммирующие операционные усилители 27, 28 поступает электрический сигнал,)пропорциональный ско)рости вращения электродвигателя 1, благодаря чему учитывается газодинамическое влияние турбины )комп)рессора низкого давления на турбины ком)прессора высокого давления и,на силовую турбину.

Подобным же образом )в устройстве учитывается газо)динамическая связь турбины комп)рессора высокого,давления с туроиной компрессора низкого да)вления и силовой турбиной.

Блок 88 с рычагом уп)равления 89 обеапечивает воспроизведение режима запрузки силовой турбины.

На установившемся режиме расход топлива, окорости вращения выходных;валов му.чьтипликаторов 10 — 12, давление в магистрали топливного насоса 48 постоянного давления, а также напряжения на всех элементах устройства являются постоянными величинами, которые о)пределяются положением )рычага управления 44 .насоса-)регулятора 48, )рычага 47 ручного управления регулятора PCA 46 и рыsara управления 39 блока 88 загрузки силовой турб)ипы.

В переходном режиме по )рычагу управления 44 насоса-регулятора 43,,когда îí )переводится в )положение максимального )режима, система выходит из состояния равновесия, и

)расход таили)ва на выходе насоса-регулятора

48, проходящий через датчик 19, начинает увеличиваться. Это изменение расхода вызывает увеличение уровня на)пряжения, снимаемого с преобразователя 20. На)пряжение на выходе опе)рационного уоилителя 25 постоянного тока также возрастает, что, в свою очередь, )как было описано .выше, увеличивает обороты мультипликаторов 10 — 12, соответствующие оборотам ту)рбоком)прессоров низкого и высокого давлен)ия и силовой турбины до тех пс)р, .пока топливный насос-регулятор

48 не прекратит увеличивать расход топлива.

После того, .как расход то)плива,в топливной системе 49 установится, наступает новое равновесное состояние устройства.

Пе)ремещение рычага управления 39 блока загрузки 88, когда рычаг управления 44 насоса-регулято)ра 43 находится,в )положен)ии «)полный газ», имит)ирует режим изменения загрузки силовой турбины ГТД. На)п)ример, при имитации загрузки силовой турбины пропорцио.нально перемещению рычага уп)равления 39, уровень выдаваемого блоком 38 сигнала уменьшается. Следовательно, управляющий сигнал на выходе операционного усилителя 28 увеличивается, т. е. увеличивается скорость вращения эле)ктродвигателя 3 и соответственно мультипликатора 10. Это увеличение скорости вращения воспринимается )регуляторомограничителем 45 оборотов силовой турбины, который уменьшает )расход в топливной магистрали 49 и за счет воздействия датчика рас«ода 19, преобразователя 20 и далее по схеме (поз. 25, 84, 27, 8, 2, 11; 25, 38, 24 7, 6, 1, 12;

25, 85, 28, 9, 4, 8, 10) изменяет скорости щращения электродвигателей 1 — 8 до тех,пор, пока скорость вращения элекпродвигателя 3 не достигнет заданного значения, соответствующего измененной загрузке силовой турбины.

При этом уменьшение расхода )прекращается и уст)ройство при«од)ит к новому установившемуся состоянию, определяемому величиной загрузки силовой турбины.

Изменением .положения рычага уп)равления

47 регулятора PCA 46 имитируется т)ри режима тре«вального ГТД, которые соответствуют полной загрузке, свободному вращению и тормозному режимч силовой турбины, В этом случае рычаг уп)равления 44 насоса-регулятора 48 устанав.чивается в положение «полный газ», а рычаг уп)равления 89 блока загрузки

88 в положение, соответствующее полной загрузке силовой турбины.

Предмет изобретения

Устройство для моделирования газотурбинны«двигателей, содержащее электропри)воды постоянного тока, полупроводн)иковые усилители мощности, датчики оборотов с выпрямителями, операционные усилители, блоки нелинейности, датчи)к углового;перемещения соплового а)ппа)рата с,преобразователем, мультивибраторы и генераторы постоянно)го тока, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональны; возможностей и у)прощения устройства, в нем выход датчика углового перемещения соплового аппарата через преобразователь и операционный усилитель,подключен на в«од блока нелинейности, моделирую310261

Составитель Е. В. Тимохина

Редактор Б. С, Нанкина Тсхред Л. Л. Евдонов !корректор T. А. Миронова

Заказ 355/1254 Изд. № 1001 Тираж 473 Подписное

ЦНИИПИ 1(омптета по дедам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушскаи наб., д. 4/5

Тип, Харьк. фил. пред. «Патент» щего функциональную зависимость статической характеристики силовой турбины от. положения 1рыч ага уп р а вления регулятор а соплового а ппарата и одновременно на вход блока нелийейности, моделирующего функциональиую зависимость статичвск|их характеристик турбокомпрессоров низкого и высокого давления от положения рычата управления регулятора соплового аппарата, причем выход датчика оборотов электро привода, модели рующего око рость вращения турбоком прессора .низкого давления; через выпрямитель подключен параллельно на,входы двух суммирующих операционных усилителей, выходы которых соединены с последовательно . соединенными усилителем мощности, генератором .постоянного тока, мультивибратором и датчиком оборотов.