Способ запуска форсажной камеры сгорания газотурбинного двигателя

 

Использование: управление подачей воспламеняющего топлива в форсажную камеру сгорания с целью повышения надежности запуска. Сущность изобретения: задают форсированный режим рычагом управления двигателем, измеряют параметры условий полета и работы двигателя, подают топливо в форсажную камеру сгорания и управляют подачей воспламеняющего топлива, затем измеряют параметры условий внутри форсажной камеры, определяют величину комплексного параметра устойчивого запуска, относительную величину комплексного параметра (П), сравнивают величину П с единицей и осуществляют подачу воспламеняющего топлива "огневой дорожки". Если величина П больше или равна единице, то воздействуют на расход топлива в основную камеру сгорания и на диаметр реактивного сопла, пока величина П не станет меньше или равной единице. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к авиационным газотурбинным двигателям (ГТД), в частности к системам автоматического управления ГТД, и может быть использовано для усовершенствования систем управления запуском форсажной камеры (ФК) сгорания.

Известен способ [1] запуска ФК, заключающийся в определении требуемых условий в камере сгорания, при которых будет обеспечено устойчивое горение. К таким условиям отнесен комплекс параметров, учитывающий скорость, давление и температуру газа в камере сгорания в виде соотношения K_п= где К_п - комплекс параметров; v_max - скорость, при которой происходит срыв пламени; Р - давление в камере сгорания; Т - темпеpатура в камере сгорания; D - характеристический размер стабилизатора; n - показатель степени; n ≈ 0,18 при Re < 10⁴ n ≈ 0,5 при Re ≅ 10⁴
Re - число Рейнольдса.

Недостатком этого способа является его сложность при практической реализации для обеспечения подачи воспламеняющего топлива в момент достижения оптимального значения комплекса К_п, при котором гарантируется надежное воспламенение топлива, подаваемого в ФК. Слож-ность заключается в необходимости прямых измерений скорости потока и температуры газа в ФК, а также необходимости вычисления числа Ре.

Целью изобретения является повышение надежности запуска форсажной камеры сгорания ГТД.

Цель достигается тем, что в способе запуска ФК, включающем задание форсированного режима, измерение датчиками параметров условий полета и работы двигателя, подачу топлива в ФК и управление подачей воспламеняющего топлива в зависимости от условий полета, режима работы двигателя, измеряют температуру торможения газа на выходе из турбины, статическое давление в форсажной камере сгорания и диаметр критического сечения реактивного сопла, определяют величину комплексного параметра, равного частному от деления площади реактивного сопла на произведение температуры газа за турбиной и статического давления в форсажной камере сгорания (П = ), сравнивают ее с величиной комплексного параметра, соответствующего границе надежного запуска ФК, а затем, когда величина комплексного параметра соответствует зоне надежного запуска ФК, осуществляют подачу воспламеняющего топлива; причем если величина комплексного параметра находится вне этой зоны, то кратковременно воздействуют на расход топлива в основную камеру сгорания и площадь реактивного сопла до получения величины комплексного параметра в зоне надежного запуска ФК.

Вводят в известный способ новые операции: измеряют температуру торможения газа за турбиной t_т^*, статическое давление в форсажной камере сгорания Р_фк и диаметр реактивного сопла (D_c); определяют комплексные параметры П = , сравнивают комплексный параметр с его величиной на границе надежного запуска; подают воспламеняющее топливо при условии нахождения комплексного параметра в зоне значений надежного запуска и воздействуют при необходимости на подачу топлива в основную камеру сгорания и площадь реактивного сопла до получения требуемых значений комплексного параметра. Все это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа критерию "Новизна".

Предлагаемая совокупность ограничительных и отличительных признаков способа позволяет получить информацию об условиях полета и условиях в ФК перед ее запуском и при необходимости скорректировать условия в форсажной камере сгорания за счет кратковременного воздействия на расход топлива в основной камере сгорания и площадь реактивного сопла, что повышает надежность запуска ФК в эксплуатационной области полета самолета и в некоторой области полета сокращает время переходных процессов на режимах форсированных приемистостей с режимов ниже максимального. В ходе проведения патентных исследований по патентной и научно-технической литературе не было обнаружено технических решений для запуска ФК, содержащих совокупность указанных выше отличительных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - турбореактивный двухконтурный двигатель с форсажной камерой сгорания ТРДДФ;
2 - датчик температуры (за турбиной) t_т^*;
3 - датчик статического давления в ФК Р_фк;
4 - датчик определения диаметра сопла двигателя D_c;
5 - счетное устройство;
6 - блок сравнения;
7 - логический блок ИЛИ;
8 - регулятор;
9 - датчик углов отклонения РУД;
10 - датчик давления Р_н;
11 - датчик температуры заторможенного газа Т_н^*;
12 - блок циклограмм;
13 - исполнительный механизм (ИМ) подачи топлива G_тод;
14 - ИМ подачи топлива G_тосн;
15 - ИМ подачи топлива G_тф;
16 - ИМ изменения площади сечения сопла F_с.

На фиг. 2 изображен график зависимости, поясняющий изменение комплексного параметра П от коэффициента избытка воздуха α_Σ в ФК в случаях запуска и незапуска ФK в полете.

На фиг. 3 изображен график зависимости, поясняющий изменение относительного комплексного параметра II, равного отношению комплексного параметра к его значениям на границе надежного запуска ФК, от коэффициента избытка воздуха в ФК в случаях запуска и незапуска ФК в полете.

Предлагаемый способ был реализован в экспериментальном полете при задании форсированного режима с малого газа.

Запуск ФК осуществляют резкой (в течение ≈1с) установкой рычага управления двигателем (РУД) в положение Форсированный режим при приемиcтоcти c малого газа в горизонтальном полете летающей лаборатории. Условия полета в случаях запуска и незапуска ФК соответствуют значениям высоты, равной 8000-12000 м и скорости полета, равной ≈450 км/ч. В процессе выполнения режимов запуска ФК осуществляют измерение датчиками условий полета; высота, скорость, заторможенная температура воздуха на входе в двигатель (Н, v, t_н^*) и параметров работы двигателя: для определения граничных и текущих значений параметра устойчивого запуска ФК - угол установки РУД, частоты вращения роторов низкого и высокого давлений, расход топлива, подаваемый в основную и форсажную камеры сгорания, статическое давление в ФК и площадь реактивного слоя ( α_руд, П_нд, П_вд, G_тосн, G_тф, t_т^*, Р_фк, F_с), температуры заторможенного газа за турбиной.

В соответствии со штатной программой регулирования исследуемого двигателя при положении α_руд ≥ 82^о обеспечивают подачу топлива в ФК и при достижении в процессе приемистости с малого газа П_вдпр ≥ П_{вдпрзив}закрытия заслонок перепуска воздуха после заполнения топливного коллектора ФК обеспечивают подачу воспламеняющего топлива в ФК системой "огневая дорожка" четырьмя циклами длительностью по 0,25 с.

В моменты прохождения циклов подачи воспламеняющего топлива фиксируют значения таких параметров, как F_с, t_т^* и Р_фк и по уровню значений токов ионизации, регистрируемых путем использования ионизационного датчика пламени, идентифици- руют режим как Запуск ФK или Hезапуcк ФК. В эти же моменты времени вычисляют коэффициент избытка воздуха в ФК для каждого цикла подачи воспламеняющего топлива по формуле
α_Σ= где l_o - стехиометрический коэффициент - количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива. Для керосина
l_o= 14,8
G_tΣ= G_тосн+G_тф, суммарный расход топлива, подаваемый в основную и форсажную камеры сгорания, замеренный в моменты подачи воспламеняющего топлива.

G_bΣ = G_bΣпр где Р_н, Т_н - полное давление и заторможенная температура воздуха на входе в двигатель, замеренные в момент подачи воспламеняющего топлива;
G_bΣпр определяет по известной заранее зависимости:
G_bΣпр = f (n_ндпр), где
n_ндпр= n , а
n - частота вращения ротора низкого давления, замеренная в момент подачи воспламеняющего топлива.

Затем рассчитывают комплексный параметр П, равный частотному от деления площади реактивного сопла (размерность см²) на произведение заторможенной температуры газа за турбиной (размерность - градус Цельсия) и статического давления в форсажной камере сгорания (размерность кг/см²) и строят зависимость рассчитанного комплексного параметра П от коэффициента избытка воздуха в ФК (фиг. 2). Отмечается однозначное разграничение двух зон: запуска и незапуска ФК, причем влияние α_Σ на комплексный параметр незначительное. Наибольшие отключения параметра П наблюдаются в зонах α_Σ<4,5 и α_Σ>5,5. Для практических целей принимают значение комплексного параметра постоянным и независимым от α_Σ. В рассматриваемом примере для конкретного типа двигателя П_гр=11. Затем производят расчет относительной величины комплексного параметра, равного отношению текущих значений к граничному: = .

На фиг. 3 представлен график зависимости = f(α_Σ), где при значениях > 1- зона незапуска ФК, а при ≅ 1- зона надежного запуска ФК. Таким образом получена граница надежного запуска ФК, позволяющая определять момент начала подачи воспламеняющего топлива для запуска ФК.

Система, реализующая предлагаемый способ запуска ФК, содержит ТРДДФ 1, датчик 2 температуры торможения газа на выходе из турбины, датчик 3 статического давления газа во фронтовом устройстве, датчик 4 положения критического сечения реактивного сопла, выходы которых соединены с входом счетного устройства 5. В счетном устройстве производят определение площади реактивного сопла и расчет комплексного параметра П по сигналам с датчиков 2, 3, 4. Выход счетного устройства 5 соединен с входом блока 6 сравнения, где производят сравнение (в виде отношения) текущих значений комплексного параметра (П) с граничным значением этого параметра (П_гран), заданного заранее и характерного для конкретного типа двигателя. В свою очередь выход блока 6 сравнения соединен с входом логического блока ИЛИ 7, первый выход которого соединен с первым входом штатного регулятора 8. Второй выход блока 7 соединен с первым входом блока 12 циклограммы, второй вход блока 12 соединен с первым выходом регулятора 8, а выход блока 12 - с входом исполнительного механизма 13. Регулятор 8 обеспечивает подачу топлива в основную и форсажную камеры сгорания, а также изменение положения критического сечения реактивного сопла с использованием исполнительных механизмов 14, 15, 16 соответственно, входы которых соединены с вторым, третьим и четвертым выходами регулятора 8. Регулирование указанных выходных параметров происходит по сигналам датчика 9 положения рычага управления двигателем (РУД), датчика 10 полного давления и датчика 11 температуры торможения воздуха на входе в двигатель, чьи выходы соединены с вторым, третьим и четвертым входами регулятора 8, и по сигналу из блока 7. Второй выход датчика 9 соединен с вторым входом логического блока ИЛИ 7.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При установке РУДа в положение Форсированный режим топливо подают регулятором 8 к исполнительным механизмам 14 и 15, а затем в основную и форсажную камеру сгорания. Изменение диаметра реактивного сопла производят с помощью исполнительного механизма 16. Количество подаваемого топлива в обе камеры сгорания и положение реактивного сопла определяют регулятором 8 в зависимости от выходных сигналов, получаемых с датчиков 9, 10 и 11 соответственно положения РУД, полного давления и температуры торможения воздуха на входе в двигатель. Одновременно по сигналу с датчика 9 обеспечивают включение в работу счетного устройства 5, которое по входным сигналам датчиков 2, 3, 4 определяет величину параметра П. В блок 6 до начала эксплуатации ТРДД закладывают характеристику параметра П_гран и при наличии сигнала Форсаж с датчика 9 положения РУД сравнивают текущие значения расчетного параметра П и вычисляют значения параметра , передаваемого в блок 7. В случаях, если параметр < 1, то выходной сигнал из блока 7 поступает на блок 12 циклограмм. Обмотка реле блока 7 при этом обесточена. В этом случае на выходе регулятора 8 обеспечивают программное дозирование топлива в систему "огневая дорожка". Длительность воздействия системы ОД, количество циклов, времена циклов и пауз между циклами определяют в соответствии с программой блока 12.

В случаях, когда блоком 6 сравнения будет выдан сигнал ≥ 1, обмотка реле логического блока 7 будет запитана электрическим током, произойдет замыкание контактов 1-2 и размыкание контактов 3-4, что обеспечит поступление команды в регулятор 8 и несрабатывание блока 12 циклограмм. При этом регулятор 8 обеспечит воздействие на основной расход топлива и (или) площадь реактивного сопла с помощью исполнительных механизмов 14 и 16. Воздействие продолжается до тех пор, пока блок 7 не исключит подачу команды в регулятор 8 и включит в работу блок 12 путем обесточения обмотки реле при наличии условия < 1.

Использование способа запуска ФК обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества: совмещает переходные процеccы форсажного и основного контуров вплоть до режима малого газа при приемистостях, что позволяет сократить время приемистости в благоприятствующих этому условиях полета; исключает ненужные циклы подачи воспламеняющего топлива при незапуске ФК, что обеспечивает снижение количества термоциклов, воздейст- вующих на турбину, и как следствие, повышение ресурса ее работы; обеспечивает целенаправленное принудительное изме- нение характеристик двигателя по текущей информации, обеспечивающей улучшение качества управления процессом воспла- менения, повышает надежность запуска ФК, что способствует созданию адаптивной системы управления указанным режимом работы ГТД.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ЗАПУСКА ФОРСАЖНОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ путем предварительного задания комплексного параметра устойчивого запуска, формирования сигнала запуска, измерения статического давления в форсажной камере сгорания и подачи воспламеняющего топлива в форсажную камеру, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, измеряют температуру торможения газа за турбиной и диаметр критического сечения реактивного сопла, определяют величину измеренного комплексного параметра устойчивого запуска как отношение диаметра критического сечения реактивного сопла к произведению температуры торможения газа за турбиной и статического давления в форсажной камере сгорания, определяют относительную величину комплексного параметра как отношение величины измеренного параметра к предварительно заданному, сравнивают относительную величину комплексного параметра с единицей и воспламеняющее топливо в форсажную камеру подают в случае непревышения ее единицы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае превышения величиной комплексного параметра единицы изменяют расход топлива в основную камеру сгорания и диаметр реактивного сопла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3