Система управления площадью смесителя двухконтурного газотурбинного двигателя

Полезная модель относится к области управления работой газотурбинных двигателей, преимущественно, авиационных и может быть использована для повышения эффективности их управления во всем диапазоне работы. Система управления площадью смесителя двухконтурного газотурбинного двигателя включает первый вычислитель, элемент сравнения, задающий блок и регулятор, связанный входом с выходом элемента сравнения, а выходом с приводом управления площадью смесителя, датчики параметров двигателя. Система оснащена вторым и третьим вычислителями, в качестве датчиков используются датчики давления воздуха на входе и выходе компрессора, датчик температуры воздуха на входе в компрессор, датчик числа оборотов ротора компрессора, а также датчик положения направляющих аппаратов компрессора, датчики давления воздуха на входе и выходе компрессора связаны с входами первого вычислителя, датчик температуры воздуха на входе в компрессор и датчик числа оборотов ротора компрессора, связаны с входами второго вычислителя, датчик положения направляющих аппаратов компрессора связан с первым входом третьего вычислителя, со вторым входом которого связан выход второго вычислителя, с первым входом задающего блока связан датчик положения направляющих аппаратов компрессора, а со вторым и третьим его входами связаны соответственно выходы первого и второго вычислителей, выход задающего блока связан с первым входом элемента сравнения, со вторым входом которого связан выход третьего вычислителя. Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка системы управления газотурбинным двигателем, позволяющей повысить эффективность регулирования за счет обеспечения его работы с максимально допустимым адиабатическим КПД на всех режимах работы двигателя и гарантированно избежать выхода его рабочих параметров за пределы максимально установленных, особенно на предельных режимах. 1 п ф-лы, 1 илл.

Полезная модель относится к области управления работой газотурбинных двигателей, преимущественно, авиационных и может быть использована для повышения эффективности их управления во всем диапазоне режимов работы.

Известна система управления газотурбинным двигателем, содержащая устройство регулирования подачи топлива в основную камеру сгорания, замкнутое с газотурбинным двигателем по частоте вращения ротора через датчик частоты вращения. Устройство регулирования подачи топлива выполнено в виде электронного регулятора, вход которого соединен с датчиком частоты вращении, а выход - с одним из входов выходного устройства, которое соединено с исполнительным механизмом насоса - регулятора.

Система также имеет также контур регулирования геометрии проточной части двигателя, включающий в себя регулятор направляющих компрессора с элементом управления (например, гидроцилиндром) положением направляющих аппаратов. Регулятор замкнут с двигателем через датчик частоты вращения. Элемент управления положением направляющих аппаратов компрессора дополнительно соединен с датчиком положения направляющих аппаратов, выход которого соединен с блоком коррекции расхода топлива в камеру сгорания, выход блока соединен со вторым входом выходного устройства системы регулирования топливопитания камеры сгорания.

В процессе работы системы, рычагом управления двигателя, через контур топливопитания камеры сгорания, выводят двигатель на рабочий режим, при котором совместно работают контуры регулирования топливопитания и управления положением направляющих аппаратов компрессора.

Сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора двигателя, через датчик частоты вращения одновременно поступает на электронный регулятор контура управления топливопитанием и на контур управления направляющими аппаратами компрессора. В электронном регуляторе данный сигнал сравнивается с заданным значением частоты вращения ротора. В зависимости от результатов сравнения, электронный регулятор через выходное устройство выдает команду на исполнительный механизм насоса-регулятора, который соответствующим образом воздействует на дозирующий элемент насоса-регулятора.

Одновременно регулятор направляющих аппаратов также получает на вход сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора двигателя, по которому в соответствии с заданной программой через элемент управления устанавливают новое положение направляющих аппаратов компрессора, которое соответствует заданному режиму работы двигателя.

В процессе работы двигателя, в результате внешних возмущений возможно отклонение направляющих аппаратов компрессора от заданного положения, которое определяется датчиком положения. Соответствующий сигнал с датчика положения подается на блок коррекции расхода топлива, который выдает сигнал коррекции в контур топливопитания, изменяя тем самым режим подачи топлива в основную камеру сгорания, компенсируя возмущающее воздействие отклонения положения направляющих аппаратов на частоту вращения ротора двигателя.

(см. патент РФ 2007599, кл. F02C 7/26, 1994 г.).

В результате анализа известной системы управления газотурбинным двигателем, необходимо отметить, что она не обеспечивает требуемое качество регулирования газотурбинного двигателя на всех режимах его работы, особенно на переходных режимах его работы.

Известна система управления газотурбинным двигателем, содержащая задатчик режима, элемент сравнения, усилитель, подключенный к исполнительному механизму сектора газа с датчиком положения, подключенным к элементу сравнения, причем для повышения надежности управления системы управления газотурбинным двигателем, имеющим канал отбора воздуха от компрессора высокого давления, она дополнительно содержит последовательно соединенные задатчик максимального режима, орган управления, инвертор и ключевой элемент, последовательно соединенные датчик расхода, установленный в канале отбора воздуха, и функциональный элемент, второй вход которого подключен к входу инвертора, а выход - ко второму входу элемента сравнения, выход которого подключен к входу усилителя, третий вход - к выходу ключевого элемента, второй вход которого подключен к задатчику режима (см. авторское свидетельство СССР 1354838, кл. F02C 9/00, 1999 г.) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа известной системы необходимо отметить, что она осуществляет управление работой двигателя на заведомо пониженных режимах, чтобы гарантированно избежать «заброса» параметров двигателя за пределы максимально установленных в процессе его работы, в частности, она не поддерживает максимальное значение адиабатического коэффициента полезного действия компрессора низкого давления. Это существенно снижает ее эффективность.

Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка устройства для управления двухконтурным газотурбинным двигателем, позволяющего повысить эффективность регулирования за счет обеспечения его работы с максимально допустимым адиабатическим коэффициентом полезного действия (КПД) на всех режимах работы двигателя и гарантированно избежать выхода его рабочих параметров за пределы максимально установленных, особенно на предельных режимах.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для управления двухконтурным газотурбинным двигателем, содержащем вычислитель степени сжатия воздуха в компрессоре, элемент сравнения, задающий блок и регулятор, связанный входом с выходом элемента сравнения, при этом регулятор выполнен с возможностью воздействия на привод управления площадью смесителя двухконтурного двигателя, новым является то, что оно снабжено вычислителем частоты вращения ротора компрессора и вычислителем максимального значения адиабатического КПД компрессора, при этом вычислитель степени сжатия воздуха в компрессоре выполнен с возможностью получения по своим входам информации с датчиков давления воздуха на входе и выходе компрессора, вычислитель частоты вращения ротора компрессора выполнен с возможностью получения по своим входам информации с датчика температуры воздуха на входе в компрессор и датчика числа оборотов ротора компрессора, вычислитель максимального значения адиабатического КПД компрессора выполнен с возможностью получения по входу информации с датчика положения направляющих аппаратов компрессора, задающий блок выполнен с возможностью получения по входу информации с датчика положения направляющих аппаратов компрессора, причем вычислитель максимального значения адиабатического КПД компрессора входом связан с выходом вычислителя частоты вращения ротора компрессора, задающий блок связан с выходами вычислителя степени сжатия воздуха в компрессоре и вычислителя частоты вращения ротора компрессора, выход задающего блока связан с первым входом элемента сравнения, со вторым входом которого связан выход вычислителя максимального значения адиабатического КПД компрессора.

В предлагаемом устройстве за счет регулирования площади смесителя обеспечивается положение рабочей линии на характеристике компрессора низкого давления двухконтурного газотурбинного двигателя, соответствующей максимальному значению адиабатического КПД и, тем самым, достигается наилучшая экономичность двигателя.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема устройства для управления двухконтурным газотурбинным двигателем.

Устройство для управления двухконтурным газотурбинным двигателем 1 содержит датчики контроля его работы, а именно: P₁ - датчик давления воздуха на входе в компрессор; P₂ - датчик давления воздуха на выходе из компрессора; Т_вх - датчик температуры воздуха на входе в компрессор; n - датчик числа оборотов ротора компрессора; _на - датчик положения направляющих аппаратов компрессора. На схеме датчики условно показаны стрелками, исходящими от двигателя 1. Датчики давления воздуха P₁ и P ₂ связаны с входами вычислителя 2 степени сжатия воздуха в компрессоре (первый вычислитель). Датчики температуры воздуха на входе в компрессор Т_вх и числа оборотов ротора компрессора n связаны с входами вычислителя 3 частоты вращения ротора компрессора (второй вычислитель). Датчик положения направляющих аппаратов компрессора _на связан с первым входом задающего блока 4, со вторым и третьим входами которого связаны выходы первого 2 и второго 3 вычислителей соответственно. Устройство оснащено вычислителем 5 максимального значения адиабатического КПД компрессора (третий вычислитель), первый вход которого связан с датчиком положения направляющих аппаратов компрессора _на, а второй - с выходом второго вычислителя 3. Устройство также оснащено элементом сравнения 6, первый вход которого связан с выходом задающего блока 4, а второй - с выходом третьего вычислителя 5. Выход элемента сравнения 6 связан с регулятором 7, управляющим приводом 8 управления площадью смесителя двигателя.

Устройство скомпоновано из стандартных блоков и модулей.

Устройство для управления двухконтурным газотурбинным двигателем работает следующим образом.

В процессе работы двигателя 1 и функционирования устройства его управления на входы первого 2, второго 3 и третьего 5 вычислителей поступают сигналы с датчиков, а именно с датчиков P₁ и P ₂ на первый вычислитель 2, с датчиков Т_вх и n на второй вычислитель 3, с датчика _на на третий вычислитель 5 и первый вход задающего блока 4.

В вычислителе 2 по значениям сигналов датчиков вычисляется степень сжатия (P₂/P₁ ) воздуха в компрессоре. Нетрудно заметить, что в качестве вычислителя может быть использовано известное вычислительное устройство, которому присуща функция деления.

В вычислителе 3 вычисляется приведенная частота вращения ротора компрессора, которая может быть определена по известной зависимости , где n - число оборотов ротора компрессора. Нетрудно заметить, что в качестве вычислителя 3 может быть использовано практически любое известное устройство, реализующее расчет параметров по указанной выше зависимости.

В вычислителе 5 по значениям текущего положения направляющих аппаратов компрессора и приведенной частоты вращения ротора компрессора вычисляется максимальное значение адиабатического КПД компрессора для текущих режимов работы двигателя, которое может быть вычислено по функции =f(_max, n_пр, _на), где - адиабатический КПД. Конструктивно данный вычислитель может быть реализован в виде стандартного микропроцессорного модуля, в память которого заложены значения наперед заданных максимальных адиабатических КПД _max для всех режимов работы двигателя. Проведение такого расчета не представляет сложности для специалистов.

Параллельно в задающем блоке 4 по значениям сигналов с вычислителей 2 и 3 и значению датчика положения направляющих аппаратов компрессора вычисляется текущее значение адиабатического КПД.

Данное значение КПД может быть определено различным образом, например, реализацией функциональной зависимости _тек=f(n_пр, _на, (P₂/P₁). Проведение такого расчета не представляет сложности для специалистов.

С третьего вычислителя 5 и задающего блока 4 выработанные сигналы поступают на элемент сравнения 6, в котором вырабатывается управляющий сигнал , который является разницей между максимальным и текущим значениями адиабатического КПД и определяет ту величину, на которую можно изменить (увеличить или уменьшить) режимы работы, не перекрывая предельно допустимые значения. Выработанный в элементе сравнения 6 управляющий сигнал поступает на регулятор (например, стандартный ПИД регулятор) 7, который управляет приводом 8 управления площадью смесителя двигателя.

Использование данного устройства обеспечивает управление работой ГТД с максимально допустимым адиабатическим КПД и позволяет исключить выход параметров двухконтурного газотурбинного двигателя при его работе за пределы максимально установленных значений.

Устройство для управления двухконтурным газотурбинным двигателем, содержащее вычислитель степени сжатия воздуха в компрессоре, элемент сравнения, задающий блок и регулятор, связанный входом с выходом элемента сравнения, при этом регулятор выполнен с возможностью воздействия на привод управления площадью смесителя двухконтурного двигателя, отличающееся тем, что оно снабжено вычислителем частоты вращения ротора компрессора и вычислителем максимального значения адиабатического КПД компрессора, при этом вычислитель степени сжатия воздуха в компрессоре выполнен с возможностью получения по своим входам информации с датчиков давления воздуха на входе и выходе компрессора, вычислитель частоты вращения ротора компрессора выполнен с возможностью получения по своим входам информации с датчика температуры воздуха на входе в компрессор и датчика числа оборотов ротора компрессора, вычислитель максимального значения адиабатического КПД компрессора выполнен с возможностью получения по входу информации с датчика положения направляющих аппаратов компрессора, задающий блок выполнен с возможностью получения по входу информации с датчика положения направляющих аппаратов компрессора, причем вычислитель максимального значения адиабатического КПД компрессора входом связан с выходом вычислителя частоты вращения ротора компрессора, задающий блок связан с выходами вычислителя степени сжатия воздуха в компрессоре и вычислителя частоты вращения ротора компрессора, выход задающего блока связан с первым входом элемента сравнения, со вторым входом которого связан выход вычислителя максимального значения адиабатического КПД компрессора.