Система управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания
Полезная модель относится к области авиационного двигателестроения и может быть использована в электронно-гидромеханических системах автоматического управления многорежимными газотурбинными двигателями (ГТД) с форсажной камерой сгорания (ФКС), эксплуатирующимися на учебных режимах.
Система управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания содержит регуляторы подачи топлива в основную и форсажную камеры сгорания, соединенные входами топливными каналами с насосным блоком и имеющие возможность соединения топливными каналами с топливными коллекторами соответственно основной и форсажной камер сгорания, первый элемент сравнения, первый вход которого связан с датчиком измерения значения регулируемого параметра, задатчик программного значения регулируемого параметра, датчик положения рычага управления двигателем и датчик температуры воздуха на входе в двигатель, связанный с задатчиком программного значения регулируемого параметра. Система снабжена вторым и третьим элементами сравнения, задатчиками предфорсажного значения оборотов ротора двигателя, дополнительного значения числа оборотов ротора турбины и положения рычага управления двигателем, а также элементом "И" и сумматором, выход которого связан со вторым входом первого элемента сравнения, первый его вход связан с задатчиком дополнительного значения числа оборотов ротора турбины, а второй - с задатчиком программного значения регулируемого параметра, причем в линии связи первого входа сумматора с задатчиком дополнительного значения числа оборотов ротора турбины установлен ключ, управляемый с выхода элемента "И", первый вход которого связан с пультом управления для включения режима "Учебный", а второй - с выходом третьего элемента сравнения, первый вход которого связан с задатчиком положения рычага управления двигателем, а второй - с датчиком положения рычага управления двигателем, который также связан с первым управляемым отсечным клапаном, расположенным в топливном канале между насосным блоком и регулятором подачи топлива в форсажную камеру, а второй управляемый отсечной клапан размещен в топливном канале между регулятором подачи топлива в форсажную камеру и топливным коллектором форсажной камеры и связан с выходом второго элемента сравнения, первый вход которого связан с датчиком измерения значения регулируемого параметра, а второй - с задатчиком предфорсажного значения оборотов ротора двигателя. 1 
- лы, 1 илл.
Полезная модель относится к области авиационного двигателестроения и может быть использована в электронно-гидромеханических системах автоматического управления многорежимными газотурбинными двигателями (ГТД) с форсажной камерой сгорания (ФКС) при их эксплуатации на учебных режимах для обеспечения надежного розжига топлива при включении форсажа с пониженных режимов непрогретого двигателя (ниже режима «Максимал»).
Известна система управления подачей топлива в ГТД с ФКС, содержащая насосный блок, представляющий собой насос высокого давления с электроприводом и двухступенчатый центробежный насос высокого давления с механическим приводом от коробки приводов агрегатов двигателя, которая приводится во вращение от ротора компрессора высокого давления ГТД. В качестве насоса высокого давления может быть использован насос объемного типа (шестеренный, плунжерный и др.) или лопастной (центробежный). Центробежный насос содержит устройство открытия/закрытия входа в насос, которое срабатывает при поступлении электрической или гидравлической команды. Система также содержит подкачивающий насос низкого давления, установленный в магистрали топливоподачи, вход которого связан с топливным баком, а выход - с входами насоса высокого давления и центробежным насосом. Подкачивающий насос приводится во вращение механически от коробки приводов, которая приводится во вращение от ротора компрессора высокого давления ГТД.
Система содержит двухпозиционное устройство управления подключением насосов к основной и форсажной камерам сгорания. Оно подключает выходы насосов к дозаторам посредством системы управления, которая электрически связана с электроприводом насоса высокого давления, двухпозиционным устройством и дозаторами, представляющими собой блок из нескольких дозаторов топлива. Требуемую величину расхода топлива в основную камеру и ФКС обеспечивают гидромеханические дозаторы. Устройство содержит обратные подпорные клапаны, препятствующие поступлению топлива к форсункам при отключенных насосах.
Система управления выполнена с возможностью управления насосами по суммарному расходу топлива в двигатель. Насосы работают в разных диапазонах по величине расхода. Система управления на режимах с величиной суммарного расхода менее заданного значения подключает двухпозиционное устройство в позицию, которая включает электропривод и подключает выход насоса высокого давления к дозаторам основной и форсажной камер сгорания, а на других режимах с расходом топлива больше заданного значения - в другую позицию, которая включает открытие входа в двухступенчатый насос, подключает выход за первой его ступенью к дозаторам подачи топлива в форсажную камеру, а выход за второй ступенью - к дозаторам основной камеры сгорания. Это позволяет оптимизировать режим работы электропривода по мощности и снизить подогрев топлива в насосе высокого давления.
В процессе работы системы топливо из бака поступает к подкачивающему насосу и далее на вход двух других насосов. При величине суммарного расхода топлива в двигатель менее заданного значения, например при запуске двигателя, система управления выдает сигнал, который переводит двухпозиционное устройство в позицию, включающую электропривод насоса высокого давления в режим поддержания заданного значения тока в его силовых обмотках и подключает выход насоса высокого давления к дозаторам основной и форсажной камер сгорания. При этом вход в центробежный насос закрыт по электрической или гидравлической команде из системы управления. Центробежный насос подает топливо в камеры сгорания при постоянном заданном перепаде давлений на нем.
При переходе работающего двигателя в форсажный режим с расходом топлива больше заданного значения, система управления выдает сигнал, который переводит двухпозиционное устройство в другую позицию, включающую открытие входа в двухступенчатый насос высокого давления, подключает выход за первой ступенью этого насоса к дозаторам подачи топлива в форсажную камеру, а выход за второй ступенью - к дозаторам основной камеры сгорания и отключает электропривод насоса высокого давления. Центробежный насос подает топливо в камеры сгорания при давлении на входе в дозаторы, достаточном для функционирования дозаторов топлива ОКС и ФКС.
(см. патент РФ 
2507406, F02C 7/22, 2014 г.).
В результате анализа известной системы необходимо отметить, что она обеспечивает снижение подогрева топлива, массы и потребляемой мощности. Учитывая, что электроприводной насос работает только на режимах с малым расходом, и, следовательно, низким значением потребляемой мощности, то масса его электропривода не велика и практически не увеличивает массу всей системы. Электроприводной насос обеспечивает подачу топлива в основную и форсажную камеры сгорания при малых расходах (запуск, малый газ, дроссельные нефорсированные и высотные форсированные режимы), а двухступенчатый центробежный насос с механическим приводом - на всех остальных форсированных и нефорсированных режимах. Однако данная система довольно инерционна, она не обеспечивает точно заданного расхода топлива при переходе на форсажный режим, что не позволяет осуществлять гарантированный розжиг форсажной камеры, особенно на учебном режиме и/или непрогретом двигателе.
Известна система управления ГТД, содержащая два контура регулирования, первый контур включает датчик частоты вращения, связанный с основным регулятором частоты вращения, выход которого связан с сервоприводом топливорегулирующего клапана. Данный контур также содержит задатчик основного регулятора. Второй контур регулирования осуществляет регулирование температуры газа перед турбиной и содержит датчик температуры, связанный с первым входом регулятора, второй вход которого связан с задатчиком предельной температуры. Система также содержит второй датчик частоты вращения, выход которого связан с первым входом дополнительного регулятора частоты вращения, второй вход которого связан с выходом нелинейного звена, связанного с выходом регулятора технологического параметра. Выходы регуляторов частоты вращения связаны с входами селектора, выход селектора соединен с первым входом сумматора, второй вход которого связан с датчиком обратной связи по положению дозатора.
В процессе работы системы выходной сигнал регулятора, представляющий разность между выходным сигналом нелинейного звена и сигналом датчика частоты вращения, проходит через селектор (пока предельное значение температуры не достигнуто), поступает на сумматор, где суммируется с сигналом датчика обратной связи и поступает на вход задатчика, который управляет регулятором частоты вращения сервопривода. При достижении предельной температуры газа перед турбиной, на селектор подается сигнал с регулятора температуры, как и сигнал частоты вращения, управляющий сигнал с селектора поступает на сумматор и далее - на регулятор и на управление топливорегулирующего клапана.
(см. а.с. СССР 591024, кл. F02C 9/00, 1979 г.)
В результате анализа известной системы управления ГТД необходимо отметить, что она, в отличие от приведенной выше, осуществляет регулирование ГТД по двум параметрам - частоте вращения ротора и температуре газа перед турбиной. Однако данная система весьма сложна, обладает довольно большой инерционностью, что не позволяет эффективно использовать ее при работе ГТД на переходных предельных и форсажных режимах, особенно на режиме розжига ФКС.
Известна система управления ГТД с ФКС, содержащая первый задатчик формирования заданного значения положения распределительного золотника при запуске ГТД, второй задатчик формирования заданного положения распределительного золотника на дроссельных режимах работы ГТД, выход второго задатчика связан с первым входом первого элемента сравнения, выход которого связан с первым регулятором 4 положения золотника на дроссельных режимах.
Система оснащена третьим задатчиком формирования заданного положения распределительного золотника на максимальных бесфорсажных и форсажных режимах работы ГТД в зависимости от значения степени расширения газов на турбине. Выход третьего задатчика связан с первым входом второго элемента сравнения, выход второго элемента сравнения связан с входом второго регулятора.
Выходы первого задатчика, первого и второго регуляторов связаны с входами переключателя режимов управления реактивным соплом, с входом которого также связан первый выход логического блока формирования команды на выбор режима управления реактивного сопла, второй выход которого связан с входом первого задатчика.
Система также содержит третий элемент сравнения, первый вход которого связан с выходом переключателя, а выход - через последовательно соединенные усилитель и электрогидроусилитель - с распределительным золотником, управляющим положением гидроцилиндров реактивного сопла.
Положение распределительного золотника отслеживается датчиком, связанным со вторым входом третьего элемента сравнения. Золотник гидравлически связан с гидроцилиндрами, управляющими критическим сечением реактивного сопла, положение рабочего элемента которых отслеживается как минимум, одним датчиком положения гидроцилиндров реактивного сопла, связанным со вторым входом первого элемента сравнения.
Для управления работой ГТД используются показания следующих датчиков: давления за компрессором - (Pк ); давления за турбиной - (Pт); частоты вращения ротора турбокомпрессора - (nТК); температуры воздуха на входе в ГТД - (Tвх), положения рычага управления двигателем (РУД) (
РУД).
Выходы датчиков (P к) и (Pт) соединены с входами делителя, выход которого связан со вторым входом второго элемента сравнения.
Выходы датчиков nТК и Tвх связаны с входами блока вычисления приведенной частоты вращения ротора турбокомпрессора (nТКпр,), выход которого, связан с входом второго задатчика.
Выход датчика Tвх также связан с входом третьего задатчика.
Выходы датчиков nТК и РУД связаны с входами логического блока.
В процессе работы системы управление ГТД с ФКС осуществляется по одному из трех контуров регулирования, на каждом из контуров выполняется индивидуальная программа управления, которая корректируется по определенной группе датчиков, показания которых наиболее значимы для работы именно в данном режиме.
(см. патент РФ 2466287, кл. F02C 9/28, 2012 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что данная система также не обеспечивает надежность включения форсажа на пониженных и учебных режимах работы не прогретого двигателя.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение надежности и безопасности работы ГТД с ФКС летательного аппарата за счет обеспечения гарантированного розжига ФКС на учебных режимах работы ГТД.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в системе управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, содержащей регуляторы подачи топлива в основную и форсажную камеры сгорания, соединенные входами топливными каналами с насосным блоком и имеющие возможность соединения топливными каналами с топливными коллекторами соответственно основной и форсажной камер сгорания, первый элемент сравнения, первый вход которого связан с датчиком измерения значения регулируемого параметра, задатчик программного значения регулируемого параметра, датчик положения рычага управления двигателем и датчик температуры воздуха на входе в двигатель, связанный с задатчиком программного значения регулируемого параметра, новым является то, что система снабжена вторым и третьим элементами сравнения, задатчиками предфорсажного значения оборотов ротора двигателя, дополнительного значения числа оборотов ротора турбины и положения рычага управления двигателем, а также элементом "И" и сумматором, выход которого связан со вторым входом первого элемента сравнения, первый его вход связан с задатчиком дополнительного значения числа оборотов ротора турбины, а второй - с задатчиком программного значения регулируемого параметра, причем в линии связи первого входа сумматора с задатчиком дополнительного значения числа оборотов ротора турбины установлен ключ, управляемый с выхода элемента "И", первый вход которого связан с пультом управления для включения режима "Учебный", а второй - с выходом третьего элемента сравнения, первый вход которого связан с задатчиком положения рычага управления двигателем, а второй - с датчиком положения рычага управления двигателем, который также связан с первым управляемым отсечным клапаном, расположенным в топливном канале между насосным блоком и регулятором подачи топлива в форсажную камеру, а второй управляемый отсечной клапан размещен в топливном канале между регулятором подачи топлива в форсажную камеру и топливным коллектором форсажной камеры и связан с выходом второго элемента сравнения, первый вход которого связан с датчиком измерения значения регулируемого параметра, а второй - с задатчиком предфорсажного значения оборотов ротора двигателя.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы управления ГТД с ФКС.
Система управления ГТД 1 с ФКС 2 содержит датчик 3 измерения значения регулируемого параметра, например, оборотов ротора двигателя, соединенный с первым входом первого элемента сравнения 4, выход которого соединен с исполнительным механизмом управления проходным сечением регулятора 5 подачи топлива в основную камеру сгорания, выход регулятора 5 соединен с топливным коллектором основной камеры сгорания ГТД.
Система содержит задатчик 6 программного значения регулируемого параметра -оборотов ротора турбины, первый вход которого связан с датчиком (не показан) температуры (Твх) воздуха на входе в ГТД.
Подача топлива в системе обеспечивается насосным блоком 7, связанным с топливным баком 8. Насосный блок может быть выполнен различным известным образом, например, аналогично его выполнению, приведенному в описании изобретения по патенту 2507406. Выход топливных насосов насосного блока топливным каналом связан с топливным входом регулятора 5 и с топливным входом регулятора 9 подачи топлива на форсажных режимах, выход которого топливным каналом связан с топливным коллектором ФКС 2. В линии подачи топлива от насосного блока 7 к регулятору 9 установлен первый управляемый отсечной клапан 10.
Система также оснащена вторым элементом сравнения 11, выход которого связан со вторым управляемым отсечным клапаном 12,_расположенным в топливном канале, связывающей выход регулятора 9 и топливный коллектор ФКС 2. Первый вход второго элемента сравнения 11 связан с выходом датчика 3.
В состав системы входят устройство розжига 13 форсунки ФКС 2 и датчик 14 пламени ФКС 2. Сигнал датчика 14 управляет положением первого ключа 15, установленного в линии связи РУД пульта управления 16, который находится в кабине пилота, с устройством розжига 13. Пульт управления 16 также оснащен элементом включения режима "Учебный" (связь показана на схеме как "У"), который связан с первым входом элемента "И" 17.
Система содержит сумматор 18, связанный первым входом через второй ключ 19 с задатчиком 20 дополнительного значения числа оборотов ротора турбины. Второй ключ 19 управляется с выхода элемента "И" при замкнутом третьем ключе 21, который управляется от датчика пламени 14 ФКС. Второй вход сумматора 18 связан с задатчиком 6. Выход сумматора 18 связан со вторым входом первого элемента сравнения 4.
Второй вход элемента "И" 17 связан с выходом третьего элемента сравнения 22, первый вход которого связан с выходом задатчика 23 положения РУД, а второй - с датчиком положения (не показан) РУД.
Второй вход задатчика 6 связан с датчиком положения РУД. На дроссельных режимах работы двигателя (от режима малого газа до режима "Максимал") заданные обороты ротора двигателя пропорциональны положению рычага управления двигателем РУД, а на максимальном режиме заданные обороты ротора двигателя зависят от температуры воздуха на входе в двигатель. Зависимости обычно задаваемых оборотов
ротора двигателя от положения РУД и от Твх определяются при проектировании конкретного типа двигателя.
Управление первым отсечным клапаном 10 осуществляется от датчика положения РУД пульта управления 16.
С управляющим входом регулятора 9 связан стандартный блок (не показан) управления расходом топлива в ФКС по одному из внутридвигательных параметров (например, отношению давлений воздуха на входе в компрессор и выходе из него).
Со вторым входом второго элемента сравнения 11 связан задатчик 24 предфорсажного значения оборотов ротора двигателя. Данное значение соответствует минимальному значению оборотов двигателя, при котором обеспечивается розжиг форсажной камеры. Для современных ГТД эта величина, как правило, равна 085% от значения оборотов ротора на максимальном режиме.
Система укомплектована стандартными устройствами, блоками и элементами, используемыми по прямому назначению.
Датчики системы, устройство розжига, клапаны, ключи, элементы сравнения, элемент "И" является стандартным.
Регуляторы 5 и 9 являются стандартными.
В качестве задатчиков 23 и 24 могут быть использованы стандартные устройства, выдающее на выходе постоянный сигнал.
В качестве сумматора 18 может быть использовал практически любой элемент, обеспечивающий сложение входящих в него сигналов.
В качестве задатчика 20 может быть использовано стандартное устройство аналогичное задатчикам 23 и 24.
Выполнение блоков, узлов и агрегатов системы, не приведенное в настоящей заявке, является известным и не составляет предмета патентной охраны.
Система управления ГТД с ФКС работает следующим образом.
В процессе работы ГТД на обычном (бесфорсажном) режиме управление работой двигателя осуществляется по одному из внутридвигательных параметров (в данном случае - значению оборотов ротора турбины). В принципе, в качестве внутридвигательных параметров может быть использовано несколько внутридвигательных параметров, что довольно часто используется на современных ГТД, но для заявленного решения это не принципиально.
В процессе управления ГТД датчиком 3 измеряется частота вращения ротора двигателя, значение которой подается на первый вход элемент сравнения 4, на второй вход которого подается с задатчика 6 программное значение оборотов ротора двигателя в зависимости от (Твх). Данное программное значение может быть получено известным образом, например, как это раскрыто в наиболее близком аналоге. В элементе сравнения 4 текущее и программное значения сравниваются и полученный в результате сравнения сигнал их разности управляет положением исполнительного механизма (золотника) регулятора 5 подачи топлива насосным блоком 7 из бака 8 в основную камеру сгорания ГТД. Процесс управления подачей топлива на бесфорсажных режимах, по существу является стандартным и осуществляется, практически стандартным контуром регулирования, например, контуром регулирования оборотов ротора или температуры газов.
Клапаны 10 и 12 при этом закрыты, ключ 19 разомкнут, ключи 15 и 21 замкнуты.
На первый вход второго элемента сравнения поступает сигнал с датчика 3, который постоянно сравнивается со значением сигнала задатчика 24. При увеличении оборотов ротора и приближении частоты его вращения к форсажному значению, в определенный момент текущее и заданное значения совпадают, в результате чего с элемента сравнения 11 поступает сигнал управления на клапан 12 и замыкает его, подготавливая линию подачи форсажного топлива для включения форсажных режимов. Клапан 10 остается незамкнутым и топливо в ФКС не поступает.
Рассмотрим работу системы на учебном форсажном режиме.
Учитывая, что запуск форсажного режима осуществляется на учебном режиме, значения регулируемых параметров которого несколько ниже параметров, используемых на основных форсажных режимах, поэтому существует вероятность, что подаваемого в коллектор ФКС топлива на момент розжига ФКС будет недостаточно и устройство розжига не заработает, а, следовательно, запуск ФКС не состоится. Суть патентуемого решения как раз и направлена на то, чтобы исключить возможность невключения ФКС при ее запуске за счет изменения режима работы основной камеры сгорания.
Это обеспечивается следующим образом.
При переходе ГТД на учебный форсажный режим работы, с пульта управления 16 дается команда "Учебный форсажный режим", которая поступает на первый вход элемента "И" 17.
При повороте РУД с пульта 16 в положение, соответствующее учебному форсажному режиму, практически одновременно подается команда на второй вход
третьего элемента сравнения 22. При поступлении сигнала с датчика РУД на элемент сравнения 22 он сравнивается с сигналом задатчика, 23 и, при превышении значения РУД величины, заложенной в задатчик 23, значение с датчика РУД поступает на открывание клапана 10, открывая подачу форсажного топлива, а также на устройство розжига 13 ФКС и на второй вход элемента "И" 17. С элемента "И" дается команда на замыкание второго ключа 19, в результате которого на первый вход сумматора 18 с задатчика 20 подается сигнал, характеризующий дополнительное значение числа оборотов ротора. Данный сигнал складывается на сумматоре с сигналом задатчика 6, в результате чего на второй вход элемента сравнения подается увеличенное (на величину значения задатчика 20) значение сигнала, которое увеличивает количество подаваемого топлива в основную камеру сгорания. Повышенные режимы работы двигателя (в частности, увеличенные обороты ротора), как известно, обеспечивает более благоприятные условия для розжига пламени в форсажной камере.
Одновременно сигнал с датчика РУД поступает на устройство 13 розжига топливной форсунки и включает ее. При работе форсунки воспламеняется топливо, подаваемое в топливный коллектор ФКС, в результате чего срабатывает датчик 14 пламени ФКС. Как только произошел розжиг ФКС, дополнительной подачи топлива в основную камеру сгорания для осуществления надежного розжига не требуется. Поэтому сигнал с датчика 14 размыкает ключ 15, отключая устройство розжига 13, а также размыкает ключ 21, в результате чего разрывается связь выхода элемента "И" 17 с ключом 19, который размыкается и отключает задатчик 20 от сумматора 18. В результате работают как основная камера сгорания, так и ФКС. Управление работой ФКС осуществляется известным образом по одному или нескольким внутридвигательным параметрам.
После отключения ФКС все элементы системы, участвовавшие в розжиге ФКС, переводятся в исходное положение.
Использование данной системы обеспечивает гарантированный запуск ФКС на учебных режимах.
Система управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, содержащая регуляторы подачи топлива в основную и форсажную камеры сгорания, соединенные входами топливными каналами с насосным блоком и имеющие возможность соединения топливными каналами с топливными коллекторами соответственно основной и форсажной камер сгорания, первый элемент сравнения, первый вход которого связан с датчиком измерения значения регулируемого параметра, задатчик программного значения регулируемого параметра, датчик положения рычага управления двигателем и датчик температуры воздуха на входе в двигатель, связанный с задатчиком программного значения регулируемого параметра, а также устройство розжига форсажной камеры, отличающаяся тем, что система снабжена вторым и третьим элементами сравнения, задатчиками предфорсажного значения оборотов ротора двигателя, дополнительного значения числа оборотов ротора турбины и положения рычага управления двигателем, а также элементом "И", и сумматором, выход которого связан со вторым входом первого элемента сравнения, первый вход сумматора связан с задатчиком дополнительного значения числа оборотов ротора турбины, а второй - с задатчиком программного значения регулируемого параметра, причем в линии связи первого входа сумматора с задатчиком дополнительного значения числа оборотов ротора турбины установлен ключ, управляемый с выхода элемента "И", первый вход которого связан с пультом управления для включения режима "Учебный", а второй - с выходом третьего элемента сравнения, первый вход которого связан с задатчиком положения рычага управления двигателем, а второй - с датчиком положения рычага управления двигателем, который дополнительно связан с устройством розжига форсажной камеры, а также с первым управляемым отсечным клапаном, расположенным в топливном канале между насосным блоком и регулятором подачи топлива в форсажную камеру, а второй управляемый отсечной клапан размещен в топливном канале между регулятором подачи топлива в форсажную камеру и топливным коллектором форсажной камеры и связан с выходом второго элемента сравнения, первый вход которого связан с датчиком измерения значения регулируемого параметра, а второй - с задатчиком предфорсажного значения оборотов ротора двигателя.
РИСУНКИ
