RU2542631C1

RU2542631C1 - System to control dual-shaft gas turbine compressor stator position

Info

Publication number: RU2542631C1
Application number: RU2014107285/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Маркович Зеликин; Виктор Викторович Куприк; Алексей Вякифович Урусов; Владимир Иванович Федюкин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО"
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-02-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: control system comprises adder with its output connected with stator position control mechanism, switch with output connected with adder first input, 1^st and 2^nd program units, low-pressure rotor reduced rpm computation unit connected with low-pressure rotor rpm transducer and engine intake air temperature meter. This system is equipped with stator position pickup and high-pressure rotor rpm transducer, comparator and turbine cooling system electrical fluid valve. Comparator input is connected with high-pressure rotor rpm transducer while comparator output is connected with turbine cooling system electrical fluid valve. Switch incorporates controlled input connected with electrical fluid valve and first and second inputs connected with outputs of the first and second program units, respectively. Inputs of said program units are connected with low-pressure rotor reduced rpm computation unit. Stator position pickup is connected with adder second input.

EFFECT: higher efficiency of control, fuel saving in cruising mode.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области управления работой газотурбинных двигателей и может быть использовано для регулирования положения направляющих аппаратов компрессора двухвального авиационного газотурбинного двигателя.The invention relates to the field of controlling the operation of gas turbine engines and can be used to regulate the position of the guide vanes of a compressor of a twin-shaft aircraft gas turbine engine.

Известно устройство управления положением направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя посредством привода, связанного с регулятором, вход которого связан с выходом элемента сравнения. Первый вход элемента сравнения связан с выходом блока вычисления приведенного расхода воздуха. Первый вход блока вычисления приведенного расхода воздуха соединен с датчиком положения направляющих аппаратов компрессора, второй вход соединен с датчиком температуры воздуха на входе в газотурбинный двигатель, третий - с датчиком давления воздуха на входе в двигатель. Устройство также содержит первый и второй программные блоки управления расходом воздуха. Выходы данных блоков связаны с первым и вторым входами сумматора, выход которого связан со вторым входом элемента сравнения. Вход второго программного блока имеет возможность связи с датчиком температуры воздуха на входе в газотурбинный двигатель, а вход первого программного блока связан с выходом блока вычисления приведенной частоты вращения ротора компрессора, выход которого также связан с четвертым входом блока вычисления приведенного расхода воздуха, а вход блока вычисления приведенной частоты вращения ротора компрессора имеет возможность соединения с датчиком частоты вращения ротора компрессора. Пятый вход блока вычисления приведенного расхода воздуха имеет возможность соединения с датчиком давления воздуха на выходе из компрессора. Второй вход блока вычисления приведенной частоты вращения ротора компрессора имеет возможность соединения с датчиком температуры воздуха на входе в газотурбинный двигатель. В процессе работы газотурбинного двигателя и функционирования устройства управления положение направляющих аппаратов регулируется приводом, параметры работы газотурбинного двигателя отслеживаются поименованными выше датчиками. (RU 94636 U1, F02C 7/26, 27.05.2010) /1/.A device for controlling the position of the guide vanes of a compressor of a gas turbine engine is known by means of a drive connected to a controller, the input of which is connected to the output of the comparison element. The first input of the comparison element is connected to the output of the unit for calculating the reduced air flow. The first input of the unit for calculating the reduced air flow is connected to the position sensor of the compressor guide vanes, the second input is connected to the air temperature sensor at the inlet to the gas turbine engine, and the third is connected to the air pressure sensor at the engine inlet. The device also contains the first and second program blocks for air flow control. The outputs of these blocks are connected with the first and second inputs of the adder, the output of which is connected with the second input of the comparison element. The input of the second program unit has the ability to communicate with the air temperature sensor at the inlet of the gas turbine engine, and the input of the first program unit is connected to the output of the unit for calculating the reduced rotor speed of the compressor rotor, the output of which is also connected to the fourth input of the unit for calculating the reduced air flow, and the input of the unit for calculating the reduced compressor rotor speed has the ability to connect to a compressor rotor speed sensor. The fifth input of the unit for calculating the reduced air flow has the ability to connect with the air pressure sensor at the outlet of the compressor. The second input of the unit for calculating the reduced rotor speed of the compressor rotor has the ability to connect with the air temperature sensor at the inlet to the gas turbine engine. During the operation of the gas turbine engine and the operation of the control device, the position of the guide vanes is controlled by the drive, the operation parameters of the gas turbine engine are monitored by the sensors named above. (RU 94636 U1, F02C 7/26, 05.27.2010) / 1 /.

В результате анализа известной системы необходимо отметить, что ее использование позволяет обеспечить заданное положение рабочей линии на напорных ветках характеристики компрессора и тем самым сохранение максимального значения коэффициента полезного действия компрессора и его запасов газодинамической устойчивости. Однако в нем регулирование положения направляющих аппаратов осуществляется по отношению заданного и текущего расходов воздуха степени сжатия воздуха, что не позволяет осуществлять регулирование положения направляющих аппаратов, в том числе на переходных режимах, с высокой точностью в широких диапазонах регулирования по частоте вращения ротора компрессора, особенно на повышенных значениях частоты вращения. Для достижения максимальной тяги требуется более высокая степень сжатия компрессора, чем для обеспечения минимального расхода топлива. Поэтому при положении рабочей линии, обеспечивающем максимальную тягу двигателя, будет повышенный по сравнению с оптимальным значением удельный расход топлива. Положение рабочей линии выбирается из условия достижения максимальной тяги двигателя при взлете и наборе скорости. Поэтому при единой для всех режимов работы рабочей линии не обеспечивается минимальный удельный расход топлива на крейсерских режимах полета.As a result of the analysis of the known system, it should be noted that its use allows you to provide a given position of the working line on the pressure branches of the compressor characteristics and thereby maintain the maximum value of the compressor efficiency and its gas-dynamic stability reserves. However, in it, the regulation of the position of the guide vanes is carried out in relation to the set and current air flow rates of the degree of air compression, which does not allow for the regulation of the position of the guide vanes, including in transient modes, with high accuracy in wide ranges of regulation of the compressor rotor speed, especially at increased speeds. To achieve maximum traction, a higher degree of compressor compression is required than to ensure minimum fuel consumption. Therefore, with the position of the working line providing maximum thrust of the engine, the specific fuel consumption will be increased compared to the optimal value. The position of the working line is selected from the condition of achieving maximum engine thrust during takeoff and speed gain. Therefore, with a single working line that is uniform for all operating modes, the minimum specific fuel consumption for cruising flight modes is not provided.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату является система управления положением направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя, содержащая сумматор, имеющий возможность связи выходом с механизмом управления положением направляющих аппаратов. Система содержит первый и второй переключатели, каждый из которых выполнен в виде ключа, управляемого исполнительным механизмом. Первый и второй входы сумматора связаны соответственно с первым и вторым ключами. Исполнительные механизмы переключателей управляются от элемента сравнения, первый вход которого связан с блоком формирования заданной приведенной частоты вращения ротора компрессора, а второй - с блоком формирования фактической приведенной частоты вращения ротора компрессора, который по существу является программным блоком, входы которого связаны с датчиками температуры воздуха на входе в двигатель и частоты вращения ротора компрессора. Ключ первого переключателя связан с выходом регулятора отношения давления воздуха за компрессором и давления воздуха на входе в компрессор, входы которого связаны с датчиками давлений за и перед компрессором. Ключ второго переключателя связан с выходом регулятора расхода воздуха, пропускаемого через компрессор, вход которого связан с датчиком расхода воздуха. В процессе работы газотурбинного двигателя и функционирования системы управления положение направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя регулируется исполнительным механизмом. (RU 112725 U1, F04D 27/00, 10.10.2011) /2/.The closest in technical essence and the achieved technical result is a control system for the position of the guide vanes of the compressor of a gas turbine engine, containing an adder having the ability to connect the output to the mechanism for controlling the position of the guide vanes. The system contains first and second switches, each of which is made in the form of a key controlled by an actuator. The first and second inputs of the adder are associated with the first and second keys, respectively. The actuators of the switches are controlled by a comparison element, the first input of which is connected to the unit for generating a given reduced frequency of rotation of the compressor rotor, and the second to the block for generating the actual reduced frequency of rotation of the compressor rotor, which is essentially a program unit whose inputs are connected to air temperature sensors engine inlet and compressor rotor speeds. The key of the first switch is connected to the output of the regulator of the ratio of air pressure behind the compressor and air pressure at the inlet to the compressor, the inputs of which are connected to pressure sensors behind and in front of the compressor. The key of the second switch is connected to the output of the air flow regulator passing through the compressor, the input of which is connected to the air flow sensor. During the operation of the gas turbine engine and the functioning of the control system, the position of the guide vanes of the compressor of the gas turbine engine is regulated by the actuator. (RU 112725 U1, F04D 27/00, 10/10/2011) / 2 /.

В результате анализа данной системы необходимо отметить, что ее использование позволяет обеспечить заданное положение рабочей линии на напорных ветках характеристики компрессора и тем самым сохранить максимальное значение коэффициента полезного действия компрессора и его запасов газодинамической устойчивости за счет более точного регулирования по расходу воздуха на пониженной частоте вращения ротора компрессора. Однако указанная система обеспечивает только заданное положение рабочей линии, не предусматривая при этом возможность корректировки положения рабочей линии в зависимости от условий полета.As a result of the analysis of this system, it should be noted that its use allows you to provide a given position of the working line on the pressure branches of the compressor characteristics and thereby maintain the maximum value of the compressor efficiency and its gas-dynamic stability reserves due to more precise control of air flow at a reduced rotor speed compressor. However, this system provides only a predetermined position of the working line, without providing for the possibility of adjusting the position of the working line depending on flight conditions.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение экономичности газотурбинного двигателя на крейсерских режимах работы.The task of the invention is to increase the efficiency of a gas turbine engine at cruising operating modes.

Ожидаемый технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой системы, - повышение эффективности регулирования газотурбинного двигателя, позволяющее обеспечить снижение удельного расхода топлива при полете на крейсерских режимах.The expected technical result achieved using the proposed system is to increase the efficiency of regulation of a gas turbine engine, which allows to reduce the specific fuel consumption during flight at cruising modes.

Ожидаемый технический результат обеспечивается тем, что система управления положением направляющих аппаратов компрессора двухвального газотурбинного двигателя, содержащая сумматор, имеющий возможность связи выходом с механизмом управления положением направляющих аппаратов, переключатель, выход которого связан с первым входом сумматора, программный блок, блок вычисления приведенной частоты вращения ротора низкого давления, связанный с датчиками частоты вращения ротора низкого давления и температуры воздуха на входе в двигатель, согласно изобретению снабжена вторым программным блоком, датчиком положения направляющих аппаратов и датчиком частоты вращения ротора высокого давления, компаратором, электрогидравлическим клапаном системы охлаждения турбины, при этом вход компаратора связан с датчиком частоты вращения ротора высокого давления, выход компаратора связан с электрогидравлическим клапаном системы охлаждения турбины, переключатель имеет управляющий вход, который связан с выходом электрогидравлического клапана системы охлаждения турбины, а также первый и второй входы, которые связаны соответственно с выходами первого и второго программных блоков, входы которых связаны с выходом блока вычисления приведенной частоты вращения ротора низкого давления, а со вторым входом сумматора связан датчик положения направляющих аппаратов.The expected technical result is ensured by the fact that the position control system of the guide vanes of the compressor of the twin-shaft gas turbine engine, comprising an adder having the ability to communicate with the output of the guide vanes position control mechanism, a switch, the output of which is connected to the first input of the adder, a program unit, a unit for calculating the reduced rotor speed low pressure associated with the sensors of the rotor speed of the low pressure and air temperature at the inlet of the engine, with According to the invention, it is equipped with a second program unit, a positioning device for the guide vanes and a high-speed rotor speed sensor, a comparator, an electro-hydraulic valve of the turbine cooling system, while the comparator input is connected to a high-pressure rotor speed sensor, the comparator output is connected to the electro-hydraulic valve of the turbine cooling system, the switch has a control input, which is connected to the output of the electro-hydraulic valve of the turbine cooling system, as well as the first and second inputs, which are respectively connected to the outputs of the first and second program blocks, the inputs of which are connected to the output of the unit for calculating the reduced rotor speed of the low pressure rotor, and the position sensor of the guide vanes is connected to the second input of the adder.

На чертеже представлена схема системы управления положением направляющих аппаратов компрессора двухвального газотурбинного двигателя.The drawing shows a diagram of a control system for the position of the guide vanes of the compressor of a twin-shaft gas turbine engine.

Система содержит датчики контроля параметров работы агрегатов газотурбинного двигателя, а именно: датчик 1 измерения частоты вращения ротора высокого давления; датчик 2 измерения частоты вращения ротора низкого давления двигателя (n); датчик 3 измерения температуры воздуха на входе в двигатель (Т_вх); датчик 4 измерения положения направляющих аппаратов.The system contains sensors for monitoring the operation parameters of the gas turbine engine units, namely: sensor 1 for measuring the rotational speed of the high pressure rotor; sensor 2 for measuring the rotational speed of the low pressure rotor of the engine (n); sensor 3 for measuring the temperature of the air at the engine inlet (T _in ); sensor 4 measuring the position of the guide vanes.

Датчик 1 частоты вращения ротора высокого давления через компаратор 5 подключен к электрогидравлическому клапану 6 системы охлаждения (не показана) турбины. Выход электрогидравлического клапана 6 подключен на управляющий вход переключателя 7.The high-pressure rotor speed sensor 1 through a comparator 5 is connected to an electro-hydraulic valve 6 of a turbine cooling system (not shown). The output of the electro-hydraulic valve 6 is connected to the control input of the switch 7.

Датчик 3 температуры воздуха на входе в двигатель подключен к первому входу блока 8 вычисления приведенной частоты вращения ротора низкого давления, ко второму входу которого подключен датчик 2 частоты вращения ротора низкого давления.The sensor 3 of the air temperature at the inlet to the engine is connected to the first input of the unit 8 for calculating the reduced rotational speed of the low pressure rotor, the second input of which is connected to the sensor 2 of the rotational speed of the low pressure rotor.

Система оснащена первым 9 и вторым 10 программными блоками, выходы которых соединены с первым и вторым входами переключателя 7 соответственно, а входы их связаны с выходом блока 8.The system is equipped with the first 9 and second 10 program blocks, the outputs of which are connected to the first and second inputs of switch 7, respectively, and their inputs are connected to the output of block 8.

Выход переключателя 7 связан с первым входом сумматора 11, со вторым входом которого связан датчик 4 измерения положения направляющих аппаратов. Выход сумматора 11 связан с механизмом управления положением (не показан) направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя.The output of the switch 7 is connected to the first input of the adder 11, the second input of which is connected to the sensor 4 for measuring the position of the guide vanes. The output of the adder 11 is associated with a position control mechanism (not shown) of the guide vanes of the compressor of a gas turbine engine.

Все используемые в системе блоки и элементы являются известными и реализуют присущие им функции, их конкретное выполнение не является предметом патентной охраны, поэтому в материалах заявки указываются их выполняемые функции, а конкретное выполнение не раскрыто.All the blocks and elements used in the system are known and implement their inherent functions, their specific implementation is not subject to patent protection, therefore, their functions are indicated in the application materials, and the specific implementation is not disclosed.

Сумматор 11 может быть реализован в виде устройства сложения сигналов как в гидравлическом, так и электронном исполнении.The adder 11 can be implemented as a signal addition device in both hydraulic and electronic versions.

Программные блоки 9 и 10 представляют собой нелинейные преобразователи и могут быть реализованы на стандартных процессорах.Software blocks 9 and 10 are non-linear converters and can be implemented on standard processors.

Блок 8 вычисления приведенной частоты вращения ротора низкого давления может представлять программный блок, реализующий функцию $n_{п р} = \sqrt[n]{\frac{288}{Т {}_{в х}}}$

, где n_пр - приведенная частота вращения, n - физическая частота вращения, Т_вх - температура воздуха на входе в компрессор.The unit 8 for calculating the reduced rotor speed of the low pressure rotor may represent a program unit that implements the function

n_{P R} = \sqrt[n]{\frac{288}{T {}_{at x}}}

where n _CR - reduced speed, n - physical speed, T _I - air temperature at the inlet to the compressor.

В качестве компаратора 5 может быть использовано стандартное электронное реле.As a comparator 5, a standard electronic relay can be used.

Система управления положением направляющих аппаратов компрессора двухвального газотурбинного двигателя работает следующим образом.The control system of the position of the guide vanes of the compressor of a twin-shaft gas turbine engine operates as follows.

В процессе работы системы параметры ее работы контролируются датчиками. Сигнал с датчика 1 поступает на компаратор 5, где при превышении порога компаратора на его выходе формируется сигнал низкого уровня, по которому клапан 6 полностью открыт, обеспечивая максимальное охлаждение турбин.During the operation of the system, its operation parameters are controlled by sensors. The signal from the sensor 1 is fed to the comparator 5, where when the threshold of the comparator is exceeded, a low level signal is generated at its output, according to which valve 6 is fully open, providing maximum cooling of the turbines.

Сигнал с датчика 2 поступает на второй вход блока 8. Сигнал с датчика 3 поступает на первый вход блока 8, который с учетом сигнала с датчика 2 формирует сигнал приведенной частоты вращения ротора низкого давления. Данная операция широко известна в системах управления газотурбинного двигателя и нет необходимости подробно останавливаться на ее описании.The signal from sensor 2 enters the second input of block 8. The signal from sensor 3 enters the first input of block 8, which, taking into account the signal from sensor 2, generates a signal of reduced frequency of rotation of the low pressure rotor. This operation is widely known in control systems of a gas turbine engine and there is no need to dwell on its description.

Сигнал с датчика 4 поступает на второй вход сумматора 11.The signal from the sensor 4 is fed to the second input of the adder 11.

Положение направляющих аппаратов формируется программными блоками 9 и 10 в зависимости от значения приведенной частоты вращения ротора низкого давления.The position of the guide vanes is formed by program blocks 9 and 10, depending on the value of the reduced rotational speed of the low pressure rotor.

Программа, формируемая блоком 9, определена приведенным расходом воздуха, потребным для обеспечения максимальной тяги двигателя. Сигнал с выхода блока 9 подается на первый вход переключателя 7. Программа блока 10 определена приведенным расходом воздуха, потребным для обеспечения минимального удельного расхода топлива.The program generated by block 9 is determined by the reduced air flow required to provide maximum engine thrust. The signal from the output of block 9 is fed to the first input of switch 7. The program of block 10 is determined by the reduced air flow required to ensure the minimum specific fuel consumption.

На максимальных режимах работы газотурбинного двигателя частоты вращения ротора высокого давления превышают установленный компаратором 5 порог. На его выходе формируется сигнал низкого уровня, при котором электрогидравлический клапан 6 перемещается в положение максимального охлаждения турбин. Сигнал о включении максимального охлаждения турбин поступает на управляющий вход переключателя 7, который подключает к своему выходу первый вход. В результате на вход сумматора 11 поступает сигнал управления положением направляющих аппаратов с выхода первого программного блока 9. Данный сигнал суммируется с сигналом датчика 4, в результате чего на выходе сумматора 11 формируется управляющий сигнал, поступающий на механизм управления положением направляющих аппаратов, который, в соответствии с данным сигналом, устанавливает направляющие аппараты в положение, обеспечивающее максимально возможную тягу.At maximum operating modes of the gas turbine engine, the high-pressure rotor rotational speeds exceed the threshold set by the comparator 5. At its output, a low level signal is generated at which the electro-hydraulic valve 6 moves to the position of maximum cooling of the turbines. The signal to turn on the maximum cooling of the turbines is fed to the control input of switch 7, which connects the first input to its output. As a result, the input of the adder 11 receives a signal for controlling the position of the guide devices from the output of the first program unit 9. This signal is summed with the signal of the sensor 4, as a result of which the control signal is generated at the output of the adder 11, which is transmitted to the mechanism for controlling the position of the guide devices, which, in accordance with with this signal, sets the guide vanes in a position that provides the highest possible traction.

При крейсерском режиме полета значение частоты вращения ротора высокого давления двигателя ниже установленного компаратором 5 порога срабатывания. На его выходе формируется сигнал высокого уровня, в соответствии с которым клапан 6 переводится в положение, уменьшающее интенсивность охлаждения турбины. Сигнал о выключении максимального охлаждения турбин поступает на управляющий вход переключателя 7 и подключает к его выходу второй вход, к которому подсоединен выход второго программного блока 10. Данный сигнал суммируется с сигналом датчика 4, в результате чего на выходе сумматора 11 формируется управляющий сигнал, поступающий на механизм управления положением направляющих аппаратов, который, в соответствии с данным сигналом, устанавливает направляющие аппараты в положение, обеспечивающее минимальную тягу.When cruising flight mode, the value of the rotational speed of the high-pressure rotor of the engine is lower than the threshold set by the comparator 5. At its output, a high level signal is generated, in accordance with which the valve 6 is translated into a position that reduces the cooling intensity of the turbine. The signal to turn off the maximum cooling of the turbines is supplied to the control input of switch 7 and connects to its output a second input to which the output of the second program unit 10 is connected. This signal is added to the signal of sensor 4, as a result of which an output signal is generated at the output of adder 11 a mechanism for controlling the position of the guide vanes, which, in accordance with this signal, sets the guide vanes in a position that provides minimal traction.

Предложенное решение позволяет снизить расход топлива при полете на крейсерском режиме на 2-3% за счет переключения на линию установившихся режимов, обеспечивающую наименьший удельный расход топлива, при переходе работы двигателя с максимального на крейсерский режим.The proposed solution allows to reduce fuel consumption when flying on a cruise mode by 2-3% due to switching to the line of steady-state modes, which ensures the lowest specific fuel consumption, when the engine runs from maximum to cruising mode.

Claims

Система управления положением направляющих аппаратов компрессора двухвального газотурбинного двигателя, содержащая сумматор, имеющий возможность связи выходом с механизмом управления положением направляющих аппаратов, переключатель, выход которого связан с первым входом сумматора, программный блок, блок вычисления приведенной частоты вращения ротора низкого давления, связанный с датчиками частоты вращения ротора низкого давления и температуры воздуха на входе в двигатель, отличающаяся тем, что система снабжена вторым программным блоком, датчиком положения направляющих аппаратов и датчиком частоты вращения ротора высокого давления, компаратором, электрогидравлическим клапаном системы охлаждения турбины, при этом вход компаратора связан с датчиком частоты вращения ротора высокого давления, выход компаратора связан с электрогидравлическим клапаном системы охлаждения турбины, переключатель имеет управляющий вход, который связан с выходом электрогидравлического клапана системы охлаждения турбины, а также первый и второй входы, которые связаны соответственно с выходами первого и второго программных блоков, входы которых связаны с выходом блока вычисления приведенной частоты вращения ротора низкого давления, а со вторым входом сумматора связан датчик положения направляющих аппаратов. A control system for the position of the guide vanes of the compressor of a twin-shaft gas turbine engine, comprising an adder having the ability to communicate with the output of the mechanism for controlling the position of the guide vanes, a switch whose output is connected to the first input of the adder, a program unit, a unit for calculating the reduced rotor speed of the low pressure rotor associated with frequency sensors rotation of the low pressure rotor and air temperature at the engine inlet, characterized in that the system is equipped with a second software a block, a position sensor for the guide vanes and a high-pressure rotor speed sensor, a comparator, an electro-hydraulic valve of the turbine cooling system, while the comparator input is connected to a high-pressure rotor speed sensor, the comparator output is connected to the electro-hydraulic valve of the turbine cooling system, the switch has a control input, which is associated with the output of the electro-hydraulic valve of the turbine cooling system, as well as the first and second inputs, which are associated with the outputs of the first and second program blocks, the inputs of which are connected to the output of the unit for calculating the reduced rotor speed of the low pressure rotor, and the position sensor of the guide vanes is connected to the second input of the adder.