RU2214535C2 - Способ управления перепуском воздуха в компрессоре двухвального двухконтурного газотурбинного двигателя - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области защиты от помпажа компрессоров двухвальных газотурбинных двигателей (ГТД). Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении безаварийной и беспомпажной работы двигателя за счет перепуска воздуха из внутреннего контура двигателя в наружный при наличии рассогласования между программным и фактическим углами положений лопаток входного направляющего аппарата компрессора выше предельно допустимой величины. Это достигается тем, что дополнительно измеряют фактический угол положения лопаток компрессора входного направляющего аппарата (ВНА) α_вна, сравнивают с соответствующим программным значением α $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{прог}}{\text{вна}}$ и определяют величину рассогласования

затем сравнивают величину Δα_вна с предельно допустимой величиной Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ и при условии Δα_вна>Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ формируют сигнал 1₆ на открытие клапанов перепуска воздуха (КПВ) и подают команду на открытие КПВ при поступлении сигнала 1₆ независимо от наличия сигнала 1₅. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области защиты от помпажа компрессоров двухвальных газотурбинных двигателей (ГТД).

Известны способы управления перепуском воздуха в компрессоре путем регулирования клапанов перепуска воздуха (КПВ) из-за различных ступеней компрессора по сигналам, характеризующим параметры, косвенно отражающие положение рабочей точки на характеристике компрессора, либо по сигналам датчиков помпажного или предпомпажного состояний [1].

Однако в ряде случаев известные способы не обеспечивают беспомпажную работу подпорных ступеней, что ведет к аварийной работе ГТД.

Известен способ управления перепуском воздуха в компрессоре ГТД с целью предупреждения помпажа, который предусматривает измерение частот вращения роторов высокого и низкого давлений (n_вд, n_нд), определение производной по времени

и формирование сигнала на исполнительный механизм перепуска воздуха в компрессоре ГТД [2].

Однако при реализации данного способа на двигателе с КПВ за компрессором среднего давления на одном валу с вентилятором был выявлен принципиальный недостаток, делающий применение известного способа практически невозможным. Так, на двигателе ПС-90А при сбросе режима с максимального на "малый газ" или любой другой пониженный режим значение

почти мгновенно падает ниже порогового значения, и поступает сигнал на открытие КПВ. Если это происходит на максимальном режиме или вблизи него, то текущее значение n_вд может достичь величины n_вд ^max.

Даже кратковременное повышение n_вд на 1,5% потребует съема двигателя ПС-90А с эксплуатации для ремонта вследствие недопустимых нагрузок на его детали.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ управления перепуском воздуха в компрессоре двухвального двухконтурного ГТД, который предусматривает измерение частоты вращения ротора высокого давления (РВД) n_вд, определение величины производной по времени частоты вращения ротора

сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением

и формирование сигнала I₁ на закрытие клапанов перепуска воздуха (КПВ), измерение полной температуры воздуха на входе в двигатель Т_вх, определение приведенной по Т_вх частоты вращения ротора РВД n_вд.пр., сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением n_вд.пр ^порог и формирование сигнала I₂ на закрытие КПВ, а также измерение угла установки рычага управления α_руд, сравнение α_руд с соответствующим пороговым значением α $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{порог}}{\text{руд}}$ и формирование сигнала I₃ на закрытие КПВ, при этом осуществляют определение величины разницы между максимальной величиной n_вд ^max непосредственно после открытия КПВ на максимальном режиме и программной максимальной величиной n_{вд.прог} ^max (Δn_вд ^забр) и при условии (n_вд+Δn_вд ^забр)<n_{вд.прог} ^max формируют сигнал I₅ на открытие КПВ, а сигнал I₄ на закрытие КПВ формируют при наличии сигналов I₁, I₂, I₃ [3].

При реализации данного способа на ГТД с клапанами перепуска воздуха за компрессором среднего давления, который размещен на одном валу с вентилятором, выявлен недостаток, затрудняющий применение способа в нештатных ситуациях, например, при самопроизвольном смещении лопаток входного направляющего аппарата ВНА компрессора высокого давления КВД.

Так, при закрытых клапанах перепуска воздуха и изменении положения ВНА на уменьшение расхода воздуха через КВД ниже определенной величины, работа компрессора среднего давления (КСД) становится неустойчивой.

Следствием неустойчивой работы КСД может быть вращающийся срыв КСД или помпаж КВД. Оба подобных явления могут привести к срыву и погасанию пламени в камере сгорания двигателя и, следовательно, к выключению двигателя, а при глубоком и длительном помпаже - к недопустимым по уровню вибраций и разрушениям элементов конструкции двигателя.

Как показали исследования на двигателе ПС-90А, срывные явления в КСД наблюдаются при рассогласовании между программным и фактическим углами положения ВНА, равном 20...30% от общего диапазона измерения углов положения ВНА. При рассогласовании свыше 40...50% и более возможен помпаж KBД.

В общем случае причинами нештатного изменения положения ВНА могут быть отказ исполнительного элемента управления ВНА, неисправность датчика положения ВНА и другие причины.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении безаварийной и беспомпажной работы двигателя за счет перепуска воздуха из внутреннего контура двигателя в наружный при наличии рассогласования между программным и фактическим углами положений лопаток входного направляющего аппарата компрессора выше предельно допустимой величины.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе управления перепуском воздуха в компрессоре двухвального двухконтурного газотурбинного двигателя, включающем измерение частоты вращения ротора высокого давления (РВД) n_вд, определение величины производной по времени частоты вращения ротора

сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением

и формирование сигнала I₁ на закрытие клапанов перепуска воздуха (КПВ), измерение полной температуры воздуха на входе в двигатель Т_вх, определение приведенной по Т_вх частоты вращения ротора РВД n_вд.пр., сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением n_вд.пр ^порог и формирование сигнала I₂ на закрытие КПВ, а также измерение угла установки рычага управления двигателем α_руд, сравнение α_руд с соответствующим пороговым значением α $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{порог}}{\text{руд}}$ и формирование сигнала I₃ на закрытие КПВ, при этом осуществляют определение величины разницы Δn_вд ^забр между максимальной величиной n_вд ^max непосредственно после открытия КПВ на максимальном режиме и программной максимальной величиной n_{вд.прог} ^max, и при условии (n_вд+Δn_вд ^забр)<n_{вд.прог} ^max формируют сигнал I₅ на открытие КПВ, а сигнал I₄ на закрытие КПВ формируют при наличии сигналов I₁, I₂, I₃, согласно изобретению дополнительно измеряют фактический угол положения лопаток компрессора входного направляющего аппарата (ВНА) α_вна, сравнивают с соответствующим программным значением α $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{порог}}{\text{вна}}$ и определяют величину рассогласования Δα_вна = α $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{порог}}{\text{вна}}$ -α_вна, затем сравнивают величину Δα_вна с предельно допустимой величиной Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ и при условии Δα_вна>Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ формируют сигнал I₆ на открытие КПВ и подают команду на открытие КПВ при поступлении сигнала I₆ независимо от наличия сигнала I₅.

При этом величину Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ формируют в зависимости от термогазодинамических параметров двигателя. Термогазодинамическим параметром может служить частота вращения ротора высокого давления n_вд или приведенная частота вращения ротора высокого давления n_вд.пр, либо частота вращения ротора низкого давления n_нд.

Кроме того, величину Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ формируют в зависимости от параметров внешних условий полета, а параметром внешних условий полета служит величина давления воздуха на входе в двигатель.

На чертеже представлена блок-схема для осуществления предлагаемого способа.

Блок 1 представляет собой дифференциатор, в котором по величине n_вд определяется ее производная по времени

Блок 2 - компаратор, в котором выполняется сравнение текущей величины

с ее пороговым значением

(для двигателя ПС-90А

=-200 об/мин с).

При

на выходе блока 2 формируется сигнал на закрытие КПВ (I₁= 1), поступающий на вход блока 6. При

на выходе блока 2 формируется сигнал I₁=0.

Блок 3 представляет собой арифметическое устройство, на вход которого поступают сигналы о величине n_вд и Т_вх, и производится вычисление

Блок 4 - компаратор, выполняющий функцию сравнения фактического значения n_вд.пр с пороговым значением n_вд.пр ^порог. При n_вд.пр>n_вд.пр ^порог на выходе блока 4 формируется сигнал на закрытие КПВ (I₂=1), поступающий на вход блока 6.

Блок 5 представляет собой компаратор, выполняющий сравнение фактической величины угла установки рычага управления α_руд с его пороговым значением Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{порог}}{\text{руд}}$ . При α_руд>α $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{руд}}$ на выходе блока 5 формируется сигнал на закрытие КПВ (I₃= 1), поступающий на вход блока 6. При α_руд<α $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{руд}}$ на выходе блока 5 формируется сигнал I₃=0.

Блок 6 представляет собой логическое устройство типа И, имеет три входа и один выход, подключенный к первому входу блока 11. При поступлении на три входа блока 6 сигналов I₁=1, I₂=1, I₃=1 на выходе блока 6 формируется сигнал I₄=1 на закрытие КПВ.

Блок 7 представляет собой сумматор, на вход которого поступает сигнал о текущей величине n_вд, в нем определяется суммарная величина (n_вд+Δn_вд ^забр), где Δn_вд ^забр - величина заброса n_вд при открытии КПВ, т.е. разницы между максимальной величиной n_вд ^max непосредственно после открытия КПВ на максимальном режиме и программной максимальной величиной n_{вд.прог} ^max.

Блок 8 - компаратор, выполняющий сравнение величины (n_вд+Δn_вд ^забр) и величины n_вд ^max. При выполнении соотношения (n_вд+Δn_вд ^забр)<n_вд ^max на выходе компаратора формируется сигнал на открытие КПВ I₅=1, поступающий на вход блока 11. При (n_вд+Δn_вд ^забр)>n_вд ^max формируется сигнал I₅=0.

Блок 9 представляет собой сумматор, имеющий два входа и один выход. На первый вход поступает сигнал о фактической величине угла положения лопаток компрессора входного направляющего аппарата (ВНА) α_вна. На второй вход блока 9 поступает сигнал о величине программного значения α $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ Блок 9 осуществляет операцию вычитания этих величин и формирует сигнал о величине Δα_вна, поступающий на вход блока 10. Как правило, при штатной работе регулятора положения ВНА величина составляет ±1 град.

Блок 10 представляет собой компаратор, имеющий два входа и один выход. На первый вход блока 10 поступает сигнал о фактической величине Δα_вна. На второй вход блока 10 поступает сигнал о величине предельно допустимого значения этой величины. Величина Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ . по модулю может превышать величину в 10 и более раз при штатной работе регулятора ВНА.

Для каждого типа двигателя Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ носит индивидуальный характер и является функцией режима работы двигателя, термодинамических параметров двигателя, внешних условий полета и др.

При Δα_вна>Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ на выходе блока 10 формируется сигнал I₆=1, поступающий на вход блока 11 и свидетельствующий о нештатной работе регулятора ВНА и возможном появлении помпажа.

Блок 11 представляет собой функциональное логическое устройство с тремя входами и одним выходом. Блок 11 при снятии сигнала I₄ с блока 6 оценивает состояние сигнала I₅, поступающего с блока 8. При поступлении на вход блока 11 сигнала I₅=1 с выхода блока 11 снимается команда на закрытие КПВ и происходит их открытие. При отсутствии на втором входе блока 11 сигнала I₅(n_вд+Δn_вд ^забр)>n_вд ^max команда на закрытие клапанов перепуска воздуха не снимается, и только после появления на втором входе сигнала I₅ (n_вд+Δn_вд ^забр)<n_вд ^max с выхода блока 11 команда на закрытие КПВ снимается, происходит их открытие.

При наличии сигнала I₄ и поступлении сигнала I₆ на третий вход блока 11 (т. е. клапаны закрыты Δα_вна>Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ возникла нештатная ситуация) независимо от наличия на входе 11 сигнала I₅ происходит снятие команды на закрытие клапанов перепуска воздуха. Происходит открытие клапанов.

Способ осуществляется следующим образом.

На остановленном двигателе в исходном состоянии КПВ открыты.

1. После запуска двигателя на малом газе n_вд=0 об/мин с, т.е.

n_вд.пр<n_вд.пр ^порог, α_руд<α $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{руд}}$ (I₁= 1, I₂=0, I₃=0). На выходе блока 6, работающего по схеме И, сигнал I₄=0, поэтому КПВ остаются открытыми.

После перевода РУД, например, с малого газа на максимальный режим α_руд>α $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{руд}}$ (I₃=1) происходит увеличение режима работы двигателя. В процессе всей приемистости n_вд>n_вд ^порог (I₁=1). По мере увеличения частоты вращения и соблюдении условия

(I₂=1) на выходе блока 6 формируется сигнал I₄=1. При поступлении на первый вход блока 11 сигнал I₄=1 на выходе блока 11 формируется команда на закрытие КПВ.

2. При штатной работе регулятора ВНА открытие КПВ осуществляется при уменьшении режима работы двигателя, а именно при отсутствии любого из сигналов I₁, I₂, I₃=0 и наличии сигнала I₅=1 (аналогично прототипу).

3. При закрытых КПВ и нештатной работе регулятора ВНА Δα_вна>Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ , на выходе блока 10 формируется сигнал I₆=1. Сигнал I₆ поступает на третий вход блока 11. Команда на закрытие клапанов перепуска воздуха снимается, происходит их открытие. При открытии КПВ происходит открытие перепуска воздуха из проточной части (внутреннего контура) двигателя в его кольцевой канал (наружный контур). При этом запасы газодинамической устойчивости увеличиваются, помпаж не происходит.

Источники информации
1. Авиационный двухконтурный турбореактивный двигатель Д-30КУ. Техническое описание. - М.: Машиностроение, 1975.

2. Патент США 4449360, F 02 С 9/28, 1981.

3. Патент РФ 2098668, F 04 D 27/02.

Claims (7)

1. Способ управления перепуском воздуха в компрессоре двухвального двухконтурного газотурбинного двигателя, включающий измерение частоты вращения ротора высокого давления (РВД) n_вд, определение величины производной по времени частоты вращения ротора n_вд, сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением n_вд ^порог и формирование сигнала I₁ на закрытие клапанов перепуска воздуха (КПВ), измерение полной температуры воздуха на входе в двигатель Т_вх, определение приведенной по Т_вх частоты вращения ротора РВД n_вд.пр, сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением n_вд.пр ^порог и формирование сигнала I₂ на закрытие КПВ, а также измерение угла установки рычага управления двигателем α_руд, сравнение α_руд с соответствующим пороговым значением α $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{порог}}{\text{руд}}$ и формирование сигнала I₃ на закрытие КПВ, при этом осуществляют определение величины разницы Δn $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{забр}}{\text{вд}}$ между максимальной величиной n_вд ^mах непосредственно после открытия КПВ на максимальном режиме и программной максимальной величиной n_вд. ^мах _порог и при условии (n_вд+Δn_вд ^забр)<n_вд. ^мах _прог формируют сигнал I₅ на открытие КПВ, а сигнал I₄ на закрытие КПВ формируют при наличии сигналов I₁, I₂, I₃, отличающийся тем, что дополнительно измеряют фактический угол положения лопаток компрессора входного направляющего аппарата (ВНА) α_вна, сравнивают с соответствующим программным значением α $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{порог}}{\text{вна}}$ и определяют величину рассогласования Δα_вна = α $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{порог}}{\text{вна}}$ -α_вна, затем сравнивают величину Δα_вна с предельно допустимой величиной Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ и при условии Δα_вна>Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ формируют сигнал I₆ на открытие КПВ и подают команду на открытие КПВ при поступлении сигнала I₆ независимо от наличия сигнала I₅.

2. Способ по п.1, при котором величину Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ формируют в зависимости от термогазодинамических параметров двигателя.

3. Способ по п.2, при котором термогазодинамическим параметром служит частота вращения ротора высокого давления n_вд.

4. Способ по п.2, при котором термогазодинамическим параметром служит приведенная частота вращения ротора высокого давления n_вд.пр.

5. Способ по п.2, при котором термогазодинамическим параметром служит частота вращения ротора низкого давления n_нд.

6. Способ по п.1, при котором величину Δα $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{пред}}{\text{вна}}$ формируют в зависимости от параметров внешних условий полета.

7. Способ по п.6, при котором параметром внешних условий полета служит величина давления воздуха на входе в двигатель.