способ и система управления газотурбинного двигателя

Формула изобретения

1. Способ управления газотурбинным двигателем, при котором измеряют параметры, характеризующие работу двигателя, в том числе температуру газа за турбиной (Т_т), частоту вращения ротора компрессора (n), перепад давления на турбине ( _т), и управляют форсажным режимом путем воздействия на реактивное сопло и подачу топлива в форсажную камеру сгорания по заданной программе, отличающийся тем, что предварительно для двигателя с нулевой наработкой формируют зависимость T_т =f(n), и при управлении форсажным режимом сравнивают фактическое значение частоты вращения ротора (n_фак) со значением частоты вращения ротора двигателя с нулевой наработкой при фактической температуре и при наличии разности ( n) между ними выдают сигнал, пропорциональный разности, и по нему корректируют программу подачи топлива в форсажную камеру сгорания из условия обеспечения заданного значения коэффициента избытка воздуха

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно по сигналу разности ( n) корректируют управление площадью реактивного сопла из условия обеспечения максимально возможной тяги ГТД при заданном значении коэффициента избытка воздуха

3. Система управления газотурбинного двигателя, содержащая автомат подачи топлива в форсажную камеру (G_тф ) по сигналам давления воздуха за компрессором (Р_к ) и температуры воздуха на входе ГТД (Т_вх), датчики температуры газа за турбиной (Т_т), частоты вращения ротора компрессора (n) и перепада давления на турбине ( _т), и регулятор створок реактивного сопла, включающий элемент сравнения заданного и фактического значений _т, один вход которого соединен с датчиком перепада давлений на турбине, а другой - с узлом формирования заданного значения этого перепада, отличающаяся тем, что дополнительно содержит запоминающее устройство функциональной зависимости T _т=f(n), вход которого соединен с датчиком температуры газа за турбиной Т_т, и элемент сравнения частот вращения, связанный входом с устройством функциональной зависимости, при этом другой вход элемента сравнения соединен с датчиком частоты вращения ротора компрессора n, а выход связан через узел коррекции программы подачи топлива G_тф по n с автоматом подачи топлива.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что дополнительно установлен узел коррекции заданного перепада давлений по n, вход которого соединен с выходом элемента сравнения частот вращений, а выход - с узлом формирования заданного значения перепада давлений на турбине.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области авиационной техники, а точнее касается способа и системы автоматического управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой.

Известен способ управления газотурбинного двигателя с форсажной камерой воздействием на расход топлива в форсажную камеру ГТД из условия обеспечения заданного значения коэффициента избытка воздуха где _B - расход воздуха, _т0 и _тф - расход топлива соответственно в основной и форсажной камерах, L₀ - расход воздуха, необходимого для полного сгорания 1 кг топлива (Ю.Н.Нечаев, P.M.Федоров. Теория авиационных газотурбинных двигателей, М., Машиностроение, 1978, часть 2, стр.70).

Известный способ не позволяет достичь максимально возможного значения тяги на форсажном режиме при ухудшении с наработкой КПД газогенератора.

Наиболее близким техническим решением является способ управления форсажным режимом газотурбинного двигателя (ГТД) путем воздействия на подачу топлива в форсажную камеру сгорания (G_тф ) и площадь реактивного сопла (F_c). Воздействия формируют программными регуляторами (автоматом подачи топлива и автоматом управления реактивным соплом), исходя из условия оптимизации значений коэффициента избытка воздуха и перепада давлений газа на турбине ( _т) для обеспечения максимально возможного значения тяги (R) ГТД по фактически измеренным значениям параметров, определяющих работу двигателя, таким как, например, температура и давление.

Известно управление форсажными режимами ГТД, реализующее зависимости G_тф=P_кf(T_вх) и _т=f(T_вх), где Р_к - фактическое значение давления воздуха за компрессором, T_вx - фактическое значение температуры воздуха на входе в ГТД, _т - перепад давлений газа на турбине (Ю.Н.Нечаев, P.M.Федоров. Теория авиационных газотурбинных двигателей, М., Машиностроение, 1978, часть 2, стр.188).

Устройство, реализующее способ, включает датчики, измеряющие соответствующие параметры, автомат подачи топлива в форсажную камеру (G_тф ) по сигналам давления воздуха за компрессором (Р_к ) и температуры воздуха на входе ГТД (Т_вх) и автомат управления реактивным соплом (F_c), a также датчики температуры газа за турбиной (Т_т) и частоты вращения ротора компрессора (n) (там же).

Для обеспечения максимально возможного значения тяги (R) ГТД в качестве параметров, определяющих программы управления форсажным режимом, используют измеряемые значения Р_к и Т_вх, а вид зависимости определяется, в частности, характеристиками газогенератора ГТД.

Однако, с наработкой при эксплуатации самолета происходит ухудшение характеристик газогенератора ГТД из-за падения КПД компрессора ( _к) и турбины ( _т). Это приводит к тому, что управление форсажным режимом становится менее эффективным в силу неоптимальности с точки зрения обеспечения тяги ГТД из-за того, что не учитываются эксплуатационные изменения характеристик газогенератора.

В основу изобретения положена задача повышения эффективности работы ГТД с наработкой на форсажном режиме.

Техническим результатом является оптимизация тяги ГТД с наработкой на форсажном режиме.

Поставленная задача решается тем, что в заявленном способе управления газотурбинным двигателем, при котором измеряют параметры, характеризующие работу двигателя, в том числе температуру газа за турбиной (Т_т), частоту вращения ротора компрессора (n), перепад давления на турбине ( _т), и управляют форсажным режимом путем воздействия на реактивное сопло и подачу топлива в форсажную камеру сгорания по заданной программе, предварительно для двигателя с нулевой наработкой формируют зависимость T_т=f(n), и при управлении форсажным режимом сравнивают фактическое значение частоты вращения ротора (n_фак) со значением частоты вращения ротора двигателя с нулевой наработкой при фактической температуре и при наличии разности ( n) между ними выдают сигнал, пропорциональный разности, и по нему корректируют программу подачи топлива в форсажную камеру сгорания из условия обеспечения заданного значения коэффициента избытка воздуха

Целесообразно, чтобы дополнительно по сигналу разности ( n) корректировали бы управление площадью реактивного сопла из условия обеспечения максимально возможной тяги ГТД.

Поставленная задача решается также тем, что система управления газотурбинного двигателя, содержащая автомат подачи топлива в форсажную камеру (G_тф) по сигналам давления воздуха за компрессором (Р_к) и температуры воздуха на входе ГТД (Т_вх), датчики температуры газа за турбиной (Т _т), частоты вращения ротора компрессора (n) и перепада давления на турбине ( _т), и регулятор створок реактивного сопла, включающий элемент сравнения заданного и фактического значений _т, один вход которого соединен с датчиком перепада давлений на турбине, а другой - с узлом формирования заданного значения этого перепада, дополнительно содержит запоминающее устройство функциональной зависимости T_т=f(n), вход которого соединен с датчиком температуры газа за турбиной Т _т, а выход - с элементом сравнения частот вращения, при этом другой вход элемента сравнения соединен с датчиком частоты вращения ротора компрессора n, a выход связан через узел коррекции по n программы подачи топлива G_тф по n с автоматом подачи топлива.

Целесообразно, чтобы в системе был дополнительно установлен узел коррекции заданного перепада давлений ( _т) по n, вход которого соединен с выходом элемента сравнения частот вращений, а выход - с узлом формирования заданного значения перепада давлений на турбине.

Для получения информации об ухудшении характеристик газогенератора предлагается использовать функционально связанные параметры - температуру газа за турбиной (Т_т) и частоту вращения ротора компрессора (n) в виде зависимости Т_т=f(n), полученной для двигателя с нулевой наработкой техническими средствами, например, приборными замерами и/или компьютерным моделированием.

При падении _к и _т эта зависимость меняется таким образом, что при одном и том же значении Т_т значение n уменьшается.

Поэтому сигнал разности n_ном-n_фак при Т_т - const может служить мерой ухудшения характеристики газогенератора с наработкой (где n_ном - номинальное значение частоты вращения для двигателя с нулевой наработкой, n_фак - текущее значение n).

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется описанием и чертежом, на котором представлена блок-схема устройства, реализующего данный способ.

Система включает: ГТД как объект управления - 1, датчик 2 давления за компрессором, датчик 3 температуры воздуха на входе в двигатель, датчик 4 перепада давлений на турбине, элемент сравнения 5 фактического и заданного значений перепада давлений ( _т и _{т зад} соответственно), узел 6 формирования заданного значения перепада давлений турбины, регулятор 7 створок реактивного сопла, узел 8 коррекции заданного значения перепада давлений, узел 9 сравнения номинального значения частоты вращения ротора и фактического, датчик 10 частоты вращения ротора, узел 11 формирования зависимости T_т=f(n) для двигателя с нулевой наработкой, датчик 12 температуры газа за турбиной, узел 13 коррекции программы подачи топлива в форсажную камеру сгорания, регулятор 14 подачи топлива в форсажную камеру сгорания.

Предлагаемая схема работает следующим образом.

В узле 11 предварительно формируют зависимость Т_т=f(n) для двигателя с нулевой наработкой. При работе ГТД 1 на вход узла 11 с датчика 12 поступает сигнал Т_т, и, используя зависимость T_т=f(n), определяют n_ном и подают этот сигнал на вход в узел 9 сравнения, где формируется разность сигнала с датчика 10 и узла 11 ( n=n_фак-n_ном). Далее сигнал n поступает в узлы коррекции 13 и 8 для изменения программы управления G_тф и F_c.

Программа управления G_тф выполняется по сигналам с датчиков 2 и 3, подаваемым на вход регулятора 14, обеспечивая закон G _тф=Р_кf(Т_вх). Этот закон корректируется по сигналу n, поступающему с узла сравнения 9 на вход регулятора 14.

Управление реактивным соплом выполняется регулятором 7 по сигналу с элемента сравнения 5, на вход которого поступает сигнал с датчика 4 ( _т) и сигнал с узла 6 формирования ( _зад). Площадь сопла (F_c) меняется до тех пор, пока _т не станет равным _{т зад} ( _т= _{т зад}). Формирование _{т зад} осуществляется в узле 6 по сигналу с датчика 3 (Т_вх) и корректируется узлом 8 по сигналу, поступающему с узла сравнения 9.

Законы коррекции _{т зад} и G_тф определяются либо экспериментально, либо расчетным путем из условия обеспечения заявленных значений тяги ГТД при заданном значении коэффициента избытка воздуха

При небольшой наработке ГТД, когда КПД газогенератора практически не изменился, а значит и зависимость Т_т=f(n) соответствует номинальной, коррекции программы не происходит, т.к. n=0.

По мере ухудшения характеристик газогенератора меняется зависимость Т_т=f(n), что приводит к росту n пропорционально падению КПД генератора.

Таким образом, в зависимости от n меняется потребная величина коррекции основных программ управления G_тф и F_c.

Предлагаемый способ управления позволяет уменьшить потерю тяги ГТД при ухудшении характеристик газогенератора с наработкой за счет коррекции программ управления G_тф и F_c по параметру, в качестве которого применяют разность между фактическим и номинальным значением n при фактическом значении Т_т.

Таким образом, программы формируются как G_тф=Р_к f₁(T_вх)+f₂( n) и _{т зад}=f₃(Т_вх)+f₄ ( n), где f₁(T_вx) и f₃(Т _вх) - функциональные зависимости в программах подачи топлива в форсажную камеру и при формировании _{т зад} соответственно, f₂( n) и f₄( n) - функции, корректирующие программы.