Способ регулирования радиальных зазоров в турбине турбовинтового двигателя и устройство для его осуществления

 

Использование: в области управления и регулирования турбовинтовых двигателей (ТВД), в частности при регулировании радиальных зазоров в турбине ТВД. Сущность изобретения: на крейсерских режимах полета включают охлаждение корпуса турбины воздухом, отбираемым из компрессора, формируют пробный широтно-импульсный сигнал на включение охлаждения с периодом T и временем импульса dt, измеряют расход топлива в начале пробного сигнала и в его конце, определяют градиент изменения расхода топлива, при отрицательном значении градиента уменьшают величину dt на заданную величину dt¹, а при положительном увеличивают на dt¹. Устройство регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД содержит блок включения подачи охлаждающего воздуха и блок формирования сигнала на включение охлаждения, датчик расхода топлива, первое и второе устройства выборки и хранения, первое и второе устройства сравнения, первый и второй нелинейные элементы, сумматор, умножитель, широтно-импульсный модулятор и генератор. 2 с. п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области управления и регулирования турбовинтовых двигателей (ТВД), в частности к регулированию радиальных зазоров в турбине ТВД.

Известен способ регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД [1] путем осевого перемещения статора двигателя. Операции данного способа реализованы в устройстве регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД, содержащем коническую проставку, пружину и пневмопривод.

Недостатком указанного способа является низкое качество управления. Недостатками указанного устройства являются сложность исполнения и необходимость конической формы проточной части по периферии рабочих лопаток турбины.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД [2] заключающийся в том, что на крейсерских режимах полета включают охлаждение корпуса турбины воздухом, отбираемым из компрессора. Операции этого способа осуществляются устройством регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД, содержащим блок включения подачи охлаждающего воздуха и блок формирования сигнала на включение охлаждения.

Недостатком способа является то, что он рассчитан на некоторый усредненный двигатель, не учитывает индивидуальные особенности каждого экземпляра двигателя, износ и деформацию элементов проточной части ТВД по мере выработки ресурса и, следовательно, не обеспечивает полное использование положительного эффекта регулирования зазоров. Недостатком устройства является то, что оно имеет два рабочих положения: "включено" и "выключено" охлаждение корпуса турбины (так называемая двухпозиционная система регулирования радиальных зазоров), что не позволяет плавно регулировать расход охлаждающего воздуха и радиальные зазоры и максимально повысить эффективность работы двигателя.

Целью изобретения является повышение эффективности и экономичности двигателя за счет минимизации расхода топлива.

Цель достигается способом регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД, заключающемся в том, что на крейсерских режимах полета включают, а на остальных режимах выключают охлаждение корпуса турбины воздухом, отбираемым из компрессора. В отличие от прототипа дополнительно формируют пробный широтно-импульсный сигнал на включение охлаждения с периодом Т и временем импульса dt, измеряют расход топлива в начале пробного сигнала и в его конце, определяют градиент изменения расхода топлива, при отрицательном значении градиента уменьшают величину dt на заданную величину dt', а при положительном увеличивают на dt'.

Операции этого способа осуществляются устройством регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД, содержащим блок включения подачи охлаждающего воздуха и блок формирования сигнала на включение охлаждения. В отличие от прототипа вводят датчик расхода топлива, первое и второе устройства выборки и хранения, первое и второе устройства сравнения, первый и второй нелинейные элементы, сумматор, умножитель, широтно-импульсный модулятор, генератор, причем выход датчика расхода топлива соединен с информационными входами устройств выборки и хранения, выходы которых соединены с входами первого устройства сравнения, выход которого соединен с входом первого нелинейного элемента, выход которого соединен с первым входом умножителя, на второй вход которого поступает постоянный сигнал, пропорциональный dt, выход умножителя соединен с первым информационным входом сумматора, выход которого соединен с его вторым входом и с входом второго нелинейного элемента, выход которого соединен с входом широтно-импульсного модулятора, выход широтно-импульсного модулятора соединен с вторым входом второго устройства сравнения, на первый вход которого поступает сигнал с блока формирования сигнала на включение охлаждения, выход второго устройства сравнения соединен с входом блока включения подачи охлаждающего воздуха, выход генератора соединен с входами синхронизации первого и второго устройств выборки и хранения, сумматора и широтно-импульсного модулятора.

Суть заявляемого способа заключается в следующем.

На крейсерских режимах полета включают, а на остальных режимах выключают охлаждение корпуса турбины воздухом, отбираемым из компрессора, формируют пробный широтно-импульсный сигнал на включение охлаждения с периодом Т и временем импульса dt, измеряют расход топлива в начале пробного сигнала и в его конце, определяют градиент изменения расхода топлива, при отрицательном значении градиента уменьшают величину dt на заданную величину dt', а при положительном увеличивают на dt'. Изменение времени импульса управляющего сигнала вызывает изменение расхода охлаждающего воздуха и, следовательно, изменение величины радиальных зазоров в турбине. В результате достигается минимальное значение расхода топлива.

Известные способы регулирования радиальных зазоров направлены на достижение минимальной величины радиальных зазоров. Однако, как показывают расчеты, минимальная величина радиальных зазоров не обеспечивает минимальный расход топлива. Минимальный расход топлива достигается при некоторой неизвестной заранее оптимальной величине радиальных зазоров. Поэтому для определения оптимального управляющего воздействия используется алгоритм поиска с подачей пробного сигнала. Таким образом, введение дополнительных операций в известный способ позволяет повысить эффективность и экономичность двигателя за счет минимизации расхода топлива. Эти технические свойства являются новыми по сравнению с известными техническими решениями и, следовательно, обуславливают соответствие заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего операции способа; на фиг. 2 представлены временные диаграммы работы предложенного устройства; на фиг. 3 представлена характеристика первого нелинейного элемента; на фиг. 4 характеристика второго нелинейного элемента; на фиг. 5 структурная схема сумматора; на фиг. 6 представлены временные диаграммы работы сумматора; на фиг. 7 представлена зависимость относительного изменения КПД компрессора от относительной величины радиального зазора; на фиг. 8 зависимость коэффициента влияния относительной величины радиального зазора на относительное изменение КПД компрессора от относительной величины радиального зазора; на фиг. 9 представлены зависимости коэффициента влияния относительного изменения расхода охлаждающего воздуха на относительное изменение КПД турбины от коэффициента влияния относительной величины радиального зазора на относительное изменение КПД турбины при различных отношениях относительной величины радиального зазора к относительному изменению расхода охлаждающего воздуха; на фиг. 10 представлены зависимости суммарного относительного измения расхода топлива к относительной величине радиального зазора при различных значениях отношения относительной величины радиального зазора к относительному изменению расхода охлаждающего воздуха; на фиг. 11 зависимости суммарного относительного изменения расхода топлива от суммарного относительного изменения расхода охлаждающего воздуха при различных значениях отношения относительной величины радиального зазора к относительному изменению расхода охлаждающего воздуха.

Операции способа могут быть реализованы устройством регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД (фиг. 1), содержащим датчик 1 расхода топлива, устройство 2 и 3 выборки и хранения, устройство 4 сравнения, генератор 5, нелинейный элемент 6, умножитель 7, сумматор 8, нелинейный элемент 9, широтно-импульсный модулятор 10, устройство 11 сравнения, блок 12 формирования сигнала на включение охлаждения, блок 13 включения подачи охлаждающего воздуха (исполнительный механизм. Выход датчика 1 расхода топлива соединен с информационными входами устройств 2 и 3 выборки и хранения, выходы которых соединены с входами первого устройства 4 сравнения. Выход последнего соединен с входом первого нелинейного элемента 6, выход которого соединен с первым входом умножителя 7. На второй вход умножителя поступает постоянный сигнал, пропорциональный dt'. Выход умножителя соединен с первым информационным входом сумматора 8, выход которого соединен с его вторым входом и с входом второго нелинейного элемента 9, выход которого соединен с входом широтно-импульсного модулятора 10. Выход широтно-импульсного модулятора соединен с вторым входом второго устройства 11 сравнения, на первый вход которого поступает сигнал с блока 12 формирования сигнала на включение охлаждения. Выход второго устройства сравнения соединен с входом блока 13 включения подачи охлаждающего воздуха. Выход генератора 5 соединен с входами синхронизации первого и второго устройств выборки и хранения, сумматора и широтно-импульсного модулятора.

Сумматор 8 (фиг. 5) устройства содержит устройства 14 и 15 выборки и хранения, инвертор 16, сумматор 17, устройство 18 выборки и хранения. Первый и второй информационные входы сумматора соединены с информационными входами устройств 14 и 15, входы синхронизации которых соединены с входом синхронизации сумматора 8. Выходы устройств 14 и 15 соединены с входом сумматора 17, выход которого соединен с информационным входом устройства 18, выход которого является выходом сумматора 8. Вход инвертора 16 соединен с входом синхронизации сумматора 8, а выход с входом синхронизации устройства 18.

Способ реализуют следующим образом.

На режиме "крейсерский полет" блок 12 формирует сигнал на включение охлаждения U_охл. По этому сигналу в момент времени t_i устройство 2 выборки и хранения запоминает текущее значение расхода топлива G_тi, затем широтно-импульсный модулятор 10 вырабатывает широтно- импульсную посылку с длительностью цикла Т и временем импульса dt. В момент времени t_i+1=t_i+T устройство 3 выборки и хранения запоминает значение расхода топлива G_тi+1 и, если величина dG_т превышает dG_т, определяется знак dG_т в элементе 6 в соответствии с фиг. 2. На выходе умножителя 7 приращение времени импульса dt' получает знак в зависимости от изменения G_т. Сумматор 8 складывает полученное dt' с текущим значением dt: dt_i+1=dt_i+dt'. Это значение ограничивается нелинейным элементом 9, в соответствии с выходным сигналом которого широтно-импульсный модулятор вырабатывает широтно-импульсную посылку с временем импульса dt_i+1. Полученный сигнал коррекции U_к вычитают из сигнала U_охл с блока 12 в устройстве 11 сравнения и полученное U_упр подают на управление блоком 13, регулирующим подачу воздуха на охлаждение турбины. После этого весь цикл управления повторяется, причем в устройстве 2 запоминается G_тi+1, а в устройстве 3 G_тi+2.

Сумматор работает следующим образом.

В момент времени t₁ с приходом синхроимпульса генератора 5 устройства 14 и 15 выборки и хранения переходят в режим хранения входных сигналов, а устройство 18 выборки и хранения в режим прямой передачи с входа на выход. С окончанием синхроимпульса устройство 18 переходит в режим хранения входного сигнала, а устройства 14 и 15 в режим прямой передачи с входа на выход. Сумматор 17 складывает выходные сигналы устройств 14 и 15, инвертор 16 инвертирует синхроимпульсы генератора 5.

Таким образом, напряжение на выходе сумматора 8 в период времени t_i+1<t<ti+1; в период времени t_i+2 < t < t_i+3 сумме напряжений на его входах Вх.1 и Вх.2 в момент времени t_i+2 и т.д.

Использование способа регулирования радиальных зазоров на крейсерских режимах обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества. Обеспечивается наибольшая экономичность работы двигателя на крейсерских режимах полета в течение всего ресурса работы при любых условиях эксплуатации. Режим эксплуатации двигателя приближается к оптимальному, вследствие чего увеличивается его долговечность.

Формула изобретения

1. Способ регулирования радиальных зазоров в турбине турбовинтового двигателя путем включения на крейсерских режимах полета охлаждения корпуса турбины воздухом, отбираемым из компрессора, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и экономичности двигателя за счет минимизации расхода топлива, формируют широтно-импульсный сигнал на включение охлаждения, измеряют расход топлива в начале сигнала и в конце, определяют градиент изменения расхода топлива, при отрицательном значении градиента уменьшают величину времени импульса на заданную величину, а при положительном - увеличивают на заданную величину.

2. Устройство регулирования радиальных зазоров в турбине турбовинтового двигателя, содержащее блок включения подачи охлаждающего воздуха и блок формирования сигнала на включение охлаждения, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности и экономичности двигателя за счет минимизации расхода топлива, оно содержит датчик расхода топлива, первое и второе устройства выборки и хранения, первое и второе устройства сравнения, первый и второй нелинейные элементы, сумматор, умножитель, широтно-импульсный модулятор и генератор, причем выход датчика расхода топлива соединен с информационными входами устройств выборки и хранения, выходы которых соединены с входами первого устройства сравнения, выход последнего через первый нелинейный элемент соединен с первым входом умножителя, второй вход которого соединен с задатчиком приращения времени импульса, выход умножителя соединен с первым информационным входом сумматора, выход которого соединен с его вторым входом и через второй нелинейный элемент и широтно-импульсный модулятор соединен с вторым входом второго устройства сравнения, первый вход которого соединен с блоком формирования сигнала на включение охлаждения, выход второго устройства сравнения соединен с входом блока включения подачи охлаждающего воздуха, а выходы генератора соединены с входами синхронизации первого и второго устройств выборки и хранения, сумматора и широтно-импульсного модулятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11