Способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах автоматического управления многорежимными газотурбинными двигателями (ГТД) с форсажной камерой сгорания (ФКС) при их эксплуатации на учебных режимах для обеспечения надежного розжига топлива при включении форсажа с пониженных режимов непрогретого двигателя (ниже режима «Максимал»). По сигналу включения устройства розжига форсажной камеры увеличивают значение внутридвигательного параметра, по которому регулируют расход топлива в основную камеру сгорания на заранее выбранную величину, а после розжига пламени в форсажной камере уменьшают расход топлива в основную камеру сгорания на эту же величину. 1 ил.

 

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах автоматического управления многорежимными газотурбинными двигателями (ГТД) с форсажной камерой сгорания (ФКС) при их эксплуатации на учебных режимах для обеспечения надежного розжига топлива при включении форсажа с пониженных режимов непрогретого двигателя (ниже режима «Максимал»).

Известен способ управления ГТД с ФКС, заключающийся в том, что по измеренным температуре воздуха на входе в ГТД, давлению воздуха за компрессором, положению рычага управления двигателем (РУД) и расходу топлива в основную камеру сгорания управляют расходом топлива в ФКС, по положению РУД и перепаду давлений на турбине формируют заданное положение створок критического сечения реактивного сопла ГТД, сравнивают его с измеренным положением створок реактивного сопла и по величине рассогласования между заданным и измеренным значениями формируют управляющее воздействие на привод створок реактивного сопла.

(См. Шляхтенко СМ. «Теория воздушно-реактивных двигателей». М.: Машиностроение, 1975, с. 305-308).

В результате анализа данного способа необходимо отметить, что для него характерны недостаточное быстродействие контура регулирования отношения давлений в заданных сечениях ГТД, а следовательно, весьма существенно отклонение параметров ГТД на переходных режимах, особенно при розжиге ФКС. Это, в свою очередь, приводит к снижению надежности работы ГТД и, как следствие, снижению безопасности полета летательного аппарата. Кроме того, известный способ не обеспечивает точно заданного расхода топлива при переходе на форсажный режим, что не позволяет осуществлять гарантированный розжиг форсажной камеры, особенно на учебном режиме и/или непрогретом двигателе.

Известен способ управления ГТД с ФКС, заключающийся в том, что по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором, положению РУД и расходу топлива в основную камеру сгорания управляют расходом топлива в ФКС, по измеренным положению РУД и перепаду давлений газа на турбине двигателя управляют гидроцилиндрами привода створок реактивного сопла, причем дополнительно по измеренным положению РУД, давлению воздуха за компрессором и температуре воздуха на входе в двигатель формируют заданное значение пускового расхода топлива в ФКС, подают в ФКС пусковой расход форсажного топлива, включают агрегат «огневой дорожки» и контролируют розжиг ФКС по измеренной температуре газа в ФКС, если розжиг ФКС не произошел, отключают пусковой расход форсажного топлива и агрегат «огневой дорожки», увеличивают заданное значение пускового расхода форсажного топлива на 5%, подают в ФКС пусковой расход форсажного топлива, включают агрегат «огневой дорожки» и контролируют розжиг ФКС по измеренной температуре газа в ФКС, если розжиг ФКС не произошел, уменьшают заданное значение пускового расхода форсажного топлива на 5%, подают в ФКС пусковой расход форсажного топлива, включают агрегат «огневой дорожки» и контролируют розжиг ФКС по измеренной температуре газа в ФКС, если розжиг ФКС не произошел, увеличивают заданное значение пускового расхода форсажного топлива на 10%, подают в ФКС пусковой расход форсажного топлива, включают агрегат «огневой дорожки» и контролируют розжиг ФКС по измеренной температуре газа в ФКС, если розжиг ФКС не произошел, уменьшают заданное значение пускового расхода форсажного топлива на 10%, подают в ФКС пусковой расход форсажного топлива, включают агрегат «огневой дорожки» и контролируют розжиг ФКС по измеренной температуре газа в ФКС, если розжиг ФКС не произошел, изменяют заданное значение пускового расхода форсажного топлива с дискретность 5% и повторяют всю процедуру запуска ФКС и делают это до тех пор, пока не будет зафиксирован розжиг ФКС, если изменение заданного расхода топлива превысило 50%, а розжиг ФКС не произошел, попытки запуска ФКС прекращают.

(См. патент РФ №2432478, кл. F02C 9/28, 2011 г.) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа известного решения необходимо отметить, что данный способ весьма длителен по времени и не обеспечивает надежного розжига ФКС на пониженных и учебных режимах работы не прогретого двигателя.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности и безопасности работы ГТД с ФКС летательного аппарата за счет обеспечения гарантированного розжига ФКС на учебных режимах работы ГТД.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, заключающемся в том, что в процессе работы двигателя измеряют, как минимум, один внутридвигательный параметр, сравнивают его с заданным и по разности их значений регулируют расход топлива в основную камеру сгорания, в процессе работы форсажной камеры сгорания измеряют, как минимум, один внутридвигательный параметр, сравнивают его с заданным и по разности их значений регулируют расход топлива в форсажную камеру сгорания, причем для розжига форсажной камеры сгорания формируют заданное значение пускового расхода топлива в форсажную камеру, подают в форсажную камеру пусковой расход форсажного топлива и включают устройство розжига форсажной камеры, новым является то, что по сигналу включения устройства розжига форсажной камеры увеличивают значение внутридвигательного параметра, по которому регулируют расход топлива в основную камеру сгорания на заранее выбранную величину, а после розжига пламени в форсажной камере уменьшают расход топлива в основную камеру сгорания на эту же величину.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы управления ГТД с ФКС, реализующая заявленный способ.

Система управления ГТД 1 с ФКС 2 содержит датчик 3 регулируемого параметра, например оборотов ротора турбины, соединенный с первым входом первого элемента сравнения 4, выход которого соединен с исполнительным механизмом управления проходным сечением регулятора 5 подачи топлива в основную камеру сгорания, выход регулятора 5 соединен с топливным коллектором основной камеры сгорания ГТД.

Система содержит задатчик 6 программного значения регулируемого параметра - оборотов ротора турбины, первый вход которого связан с датчиком (не показан) температуры (Tвх) воздуха на входе в ГТД.

Подача топлива в системе обеспечивается насосным блоком 7, связанным с топливным баком 8. Насосный блок может быть выполнен различным известным образом, например аналогично его выполнению, приведенному в описании изобретения по патенту №2507406. Выход блока топливных насосов топливной линией связан с топливным входом регулятора 5 и с топливным входом регулятора 9 подачи топлива на форсажных режимах, выход которого топливной линией связан с топливным коллектором ФКС 2. В линии подачи топлива от насосного блока 7 к регулятору 9 установлен первый управляемый отсечной клапан 10.

Система также оснащена вторым элементом сравнения 11, управляемым вторым отсечным клапаном 12, расположенным в топливной линии, связывающей выход регулятора 9 и топливный коллектор ФКС 2. Первый вход второго элемента сравнения 11 связан с выходом датчика 3.

В состав системы входит устройство розжига 13 форсунки ФКС 2 и датчик 14 пламени ФКС 2. Сигнал датчика 14 управляет положением первого ключа 15, установленного в линии связи РУД пульта управления 16, который находится в кабине пилота, с устройством розжига 13. Пульт управления 16 также содержит элемент включения режима «Учебный» (показан на схеме как «У»), который связан с первым входом элемента «И» 17.

Система содержит сумматор 18, связанный первым входом через второй ключ 19 с задатчиком 20 дополнительного значения регулируемого параметра - числа оборотов ротора турбины. Второй ключ 19 управляется с выхода элемента «И» при замкнутом третьем ключе 21, который управляется от датчика 14 пламени ФКС. Второй вход сумматора 18 связан с задатчиком 6. Выход сумматора 18 связан со вторым входом первого элемента сравнения 4.

Второй вход элемента «И» 17 связан с выходом третьего элемента сравнения 22, первый вход которого связан с выходом задатчика 23 положения РУД, а второй - с датчиком положения (не показан) РУД.

Второй вход задатчика 6 связан с датчиком положения РУД. На дроссельных режимах работы двигателя (от режима малого газа до режима «Максимал») заданные обороты ротора двигателя пропорциональны положению рычага управления двигателем РУД, а на максимальном режиме заданные обороты ротора двигателя зависят от температуры воздуха на входе в двигатель. Зависимости обычно заданных оборотов ротора двигателя от положения РУД и от Твх определяются при проектировании конкретного типа двигателя.

Управление первым отсечным клапаном 10 осуществляется от датчика положения РУД пульта управления 16.

С управляющим входом регулятора 9 связан стандартный блок (не показан) управления расходом топлива в ФКС по одному из внутридвигательных параметров (например, отношению давлений воздуха на входе в компрессор и выходе из него).

Со вторым входом второго элемента сравнения «И» связан задатчик 24 предфорсажного значения оборотов ротора двигателя. Данное значение соответствует минимальному значению оборотов двигателя при котором обеспечивается розжиг форсажной камеры. Для современных газотурбинных двигателя эта величина, как правило, равна 085% от значения оборотов ротора на максимальном режиме.

Система укомплектована стандартными устройствами, блоками и элементами, используемыми по прямому назначению, которые используются по прямому назначению.

Датчики системы, устройство розжига, клапаны, ключи, элементы сравнения, элемент «И» является стандартным.

Регуляторы 5 и 9 являются стандартными.

В качестве задатчиков 23 и 24 могут быть использованы стандартные устройства, выдающее на выходе постоянный сигнал.

В качестве сумматора 18 может быть использовал практически любой элемент, обеспечивающий сложение входящих в него сигналов.

В качестве задатчика 20 может быть использовано стандартное устройство аналогичное задатчикам 23 и 24.

Выполнение блоков, узлов и агрегатов системы, не приведенное в настоящей заявке, является известным и не составляет предмета патентной охраны.

Способ управления ГТД с ФКС посредством раскрытой выше системы реализуют следующим образом.

В процессе работы ГТД на обычном (бесфорсажном) режиме управление работой двигателя осуществляется по одному из внутридвигательных параметров (в данном случае - значению оборотов ротора турбины). В принципе, в качестве внутридвигательных параметров может быть использовано несколько внутридвигательных параметров, но для заявленного решения это не принципиально.

В процессе управления ГТД датчиком 3 измеряется частота вращения ротора, значение которой подается на первый вход элемент сравнения 4, на второй вход которого подается с задатчика 6 программное значение оборотов ротора турбины в зависимости от (Tвх). Данное программное значение может быть получено известным образом, например, как это раскрыто в наиболее близком аналоге. В элементе сравнения 4 текущее и программное значения сравниваются и полученный в результате сравнения сигнал их разности управляет положением исполнительного механизма (золотника) регулятора 5 подачи топлива насосным блоком 7 из бака 8 в основную камеру сгорания ГТД. Процесс управления подачей топлива на бесфорсажных режимах, по существу является стандартным и осуществляется, практически стандартным контуром регулирования, например контуром регулирования оборотов ротора или температуры газов.

Клапаны 10 и 12 при этом закрыты, ключ 19 разомкнут, ключи 15 и 21 замкнуты.

В процессе работы ГТД на первый вход второго элемента сравнения 11 поступает сигнал с датчика 3, который постоянно сравнивается со значением сигнала задатчика 24. При увеличении оборотов ротора и приближении частоты его вращения к форсажному значению, в определенный момент текущее и заданное значения совпадают, в результате чего с элемента сравнения 11 поступает сигнал управления на клапан 12 и замыкает его, соединяя регулятор 9 с топливным коллектором ФКС, то есть подготавливая систему топливопитания для включения форсажных режимов, так как величина оборотов ротора превышает минимальное значение, указанное задатчиком 24, при котором обеспечивается розжиг пламени в форсажной камере. Использование клапана 12 позволяет гарантированно исключить возможность включения форсажного режима ФКС при низких частотах вращения ротора.

Клапан 10 остается незамкнутым и топливо в ФКС не поступает.

Рассмотрим работу системы на учебном форсажном режиме.

Учитывая, что запуск форсажного режима осуществляется на учебном режиме, значения регулируемых параметров которого несколько ниже параметров, используемых на основных форсажных режимах, существует вероятность, что подаваемого в коллектор ФКС топлива на момент розжига ФКС будет недостаточно и устройство розжига не заработает, а следовательно, запуск ФКС не состоится. Суть патентуемого решения как раз и направлена на то, чтобы исключить возможность невключения ФКС при ее запуске.

Это обеспечивается следующим образом.

При переходе ГТД с ФКС на учебный форсажный режим работы с пульта управления 16 дается команда «Учебный форсажный режим», которая поступает на первый вход элемента «И» 17.

При повороте РУД с пульта 16 в положение, соответствующее форсажному режиму, практически одновременно подается команда на второй вход третьего элемента сравнения 22. При поступлении сигнала с датчика РУД на элемент сравнения 22 он сравнивается с сигналом задатчика, 23 и при превышении значения РУД величины, заложенной в задатчик 23, значение с датчика РУД поступает на открывание клапана 10, а также на устройство розжига 13 ФКС и на второй вход элемента «И» 17. С элемента «И» дается команда на замыкание второго ключа 19, в результате которого на первый вход сумматора 18 с задатчика 20 подается сигнал, характеризующий дополнительное значение регулируемого параметра - числа оборотов ротора. Данный сигнал складывается на сумматоре с сигналом задатчика 6, в результате чего на второй вход элемента сравнения 4 подается увеличенное (на величину значения задатчика 20) значение сигнала, которое увеличивает количество подаваемого топлива в основную камеру сгорания. Величина закладываемого в задатчик 20 значения «добавки» определяется для каждого двигателя опытным путем и, как правило, находится на уровне 6% от расхода топлива в основную камеру сгорания. Повышенные режимы работы двигателя (в частности, увеличенные обороты ротора), как известно, обеспечивает более благоприятные условия для розжига пламени в форсажной камере за счет более высокой температуры и давления воздуха в ФКС.

Одновременно сигнал с датчика РУД поступает на устройство 13 розжига топливной форсунки и включает ее. При работе форсунки воспламеняется топливо, подаваемое в топливный коллектор ФКС, в результате чего срабатывает датчик 14 пламени ФКС. Как только произошел розжиг ФКС, дополнительной подачи топлива для осуществления надежного розжига не требуется. Поэтому сигнал с датчика 14 размыкает ключ 15, отключая устройство розжига 13, а также размыкает ключ 21, в результате чего разрывается связь выхода элемента «И» 17 с ключом 19, который размыкается и отключает задатчик 20 от сумматора 18, снижая подачу топлива в основную камеру на величину заложенного в задатчик 20 значения. В результате работают как основная камера сгорания, так и ФКС. Управление работой ФКС осуществляется известным образом по одному или нескольким внутридвигательным параметрам.

После отключения ФКС все элементы системы, участвовавшие в розжиге ФКС, переводятся в исходное положение.

Использование данного способа обеспечивает гарантированный запуск ФКС на учебных режимах.

Способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, заключающийся в том, что в процессе работы двигателя измеряют, как минимум, один внутридвигательный параметр, сравнивают его с заданным и по разности их значений регулируют расход топлива в основную камеру сгорания, в процессе работы форсажной камеры сгорания измеряют как минимум один внутридвигательный параметр, сравнивают его с заданным и по разности их значений регулируют расход топлива в форсажную камеру сгорания, причем для розжига форсажной камеры сгорания формируют заданное значение пускового расхода топлива в форсажную камеру, подают в форсажную камеру пусковой расход форсажного топлива и включают устройство розжига форсажной камеры, отличающийся тем, что по сигналу включения устройства розжига форсажной камеры увеличивают значение внутридвигательного параметра, по которому регулируют расход топлива в основную камеру сгорания на заранее выбранную величину, а после розжига пламени в форсажной камере уменьшают расход топлива в основную камеру сгорания на эту же величину.