Способ управления перепуском воздуха в компрессоре двухвального двухконтурного газотурбинного двигателя

Реферат

 

Использование: при защите от помпажа компрессоров двухвального двухконтурного газотурбинного двигателя. Сущность изобретения: команда на закрытие клапанов формируется при увеличении режима, например, с малого газа (МГ) на максимальный (МАКС. ). На режиме МГ I1 = 1, I2 = 0, I4 = 1 и блок 6 ИЛИ формирует сигнал на открытие клапана перепуска воздуха КПВ согласно логике его работы. КПВ открыты (IКПВ = 1), и выход блока 6 напрямую соединен с управлением КПВ - по сигналу IКПВ = 1 выход блока 6 соединяется с управлением КПВ и выход блока 9 отсоединяется от управления КПВ с помощью переключателя 11. По мере увеличения режима 1 изменяется на 0, выполняется условия I1 = I2 = I4 = 0, и КПВ закрываются. По сигналу закрытия КПВ (IКПВ = 0) управление осуществляется через блок 9. Выход блока 6 соединяется с одним из входов блока 9, а сигнал на открытие поступает с выхода блока 9, подключенного к управлению КПВ с помощью блока 11 по сигналу IКПВ = 0. Когда hВ1 уменьшится на величину nВДnвд от исходной, то формируется команда на открытие КПВ. На режиме МАКС. I1 = I2 = 14 = 0, КПВ закрыты, переключатель 10 обеспечивает управление КПВ от блока 9. При перемещении руд с МАКС. На МГ появляется сигнал I3 = 1 и блок 6 формирует сигнал на открытие КПВ. При этом начинается уменьшение режима, появляется сигнал I3 = 1, формируется команда на открытие КПВ, и открытие осуществится по команде блока 9, подключенного с помощью блока 11 по команде IКПВ = 0. 2 ил.

Изобретение относится к защите от помпажа компрессоров двухвальных двухконтурных газотурбинных двигателей (ГТД).

Известны способы управления перепуском воздуха в компрессоре путем регулирования клапанов перепуска воздуха (КПВ) из-за различных ступеней компрессора по сигналам, характеризующим параметры, косвенно отражающие положение рабочей точки на характеристике компрессора, либо по сигналам датчиков помпажного или предпомпажного состояний. Например, по способу, описанному в [1] управление КПВ осуществляется по частоте вращения ротора высокого давления (nВД), приведенной по полной температуре воздуха на входе в двигатель (T*вх) Недостатком известных способов является то, что не во всех случаях открытие клапана перепуска воздуха по сигналам датчика ведет к устранению помпажа на двигателе. В частности, при испытаниях двигателя ПС-90А в стендовых условиях было отмечено следующее: при возникновении помпажа на подпорных ступенях клапаны сработали через 0,3-0,4 с после появления сигнала "помпаж". Однако помпаж устранен не был, он распространился на вентилятор и на компрессор высокого давления (КВД). Поэтому в ряде случаев известные способы не обеспечивают беспомпажную работу подпорных ступеней, что ведет к аварийной работе ГТД.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ управления перепуском воздуха в компрессоре ГТД с целью предупреждения помпажа [2] Этот способ предусматривает измерение частот вращения роторов высокого и низкого давления (nВД, nНД), определение производной nВД по времени( ) и формирование сигнала на исполнительный механизм при превышении соответствующих пороговых значений: по частоте вращения при nВД АnВД>В, по производной где А, В и С константы.

При реализации этого способа на двигателе с КПВ за компрессором среднего давления на одном валу с вентилятором выявлен принципиальный недостаток, делающий применение данного способа практически невозможным. Так, на двигателе ПС-90А при сбросе режима с максимального режима на "малый газ" или любой другой пониженный режим значение почти мгновенно падает ниже порогового значения, и поступает сигнал на открытие КПВ. Как показано на фиг.1, при перемещении рычага управления двигателем (РУД) на пониженный режим одновременно наблюдается уменьшение величины nВД, т.е. значение становится отрицательным и сразу же достигает порогового значения при котором формируется соответствующая команда и открываются КПВ. За этим сразу следует "заброс" оборотов (npfвд,h&) до величины максимальной фактической частоты вращения ротора высокого давления (РВД) nВД max, который не может быть мгновенно парирован регулятором. Этот "заброс" связан с тем, что при одинаковых значениях nВД расход топлива в двигателе (Gт) при статических условиях меньше при открытых КПВ, чем при закрытых, что следует из термодинамических особенностей работы двигателей такой схемы. Так регулятор не может мгновенно изменить текущий расход топлива (Gт), то происходит уменьшение его статической величины, т.е. резкое увеличение избытка топлива Gт = Gт-Gcтn что приводит к увеличению в сторону положительных значений и "заброс" nВД. Если это происходит на максимальном режиме или вблизи него, то текущее значение nВД может достичь величены nВД max, превышающей максимальное программное значение частоты вращения РВД (nghвдjuh&max) Программная частота вращения это частота вращения, которая задается системой автоматического управления двигателем, как функция угла установки РУД, температуры и давления воздуха на входе в двигатель. Максимальная программная частота вращения (nпрвдогр.max) это такая программная частота, выше которой величина частот вращения не допускается.

Более того, даже кратковременное повышение nВД на 1,5% потребует съема двигателя ПС-90А с эксплуатации для ремонта вследствие недопустимых нагрузок на его детали.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении безаварийной и беспомпажной работы двигателя за счет предотвращения увеличения частоты вращения ротора высокого давления nВД выше его значения на максимальном режиме (nпрвдогр.max) при открытии КПВ.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном способе управления перепуском воздуха в компрессоре двухвального двухконтурного газотурбинного двигателя, включающем измерение частоты вращения ротора высокого давления nВД, сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением и формирование первого сигнала I1 на открытие клапанов перепуска воздуха (КПВ), определение величины производной по времени частоты вращения ротора сравнение с ее пороговым значением ngjвдhju& и формирование второго сигнала I2 на открытие КПВ, согласно изобретению, дополнительно измеряют полную температуру воздуха на входе в двигатель T*вх определяют приведенное значение частоты вращения ротора а формирование сигнала I1 осуществляют при условии nвд пр. = ngjвдhju&пр. а также предварительно определяют величину разницы npfвд,h между фактической максимальной частотой nВД max и программной максимальной частотой вращения ротора nghвдjuh&max непосредственно после открытия КПВ на максимальном режиме, затем формируют третий сигнал I3 на открытие КПВ при условии, если сумма nвд + nзавдбр. меньше величины ngjвдhjumax кроме того дополнительно измеряют величину угла установки рычага управления руд, сравнивают с соответствующим пороговым значением gjhрудju& и формируют четвертый сигнал I4 на открытие КПВ, и при наличии одного из сигналов I1, I2 или I4 и обязательном поступлении третьего сигнала I3 подают команду на открытие КПВ, а команду на закрытие КПВ подают при одновременном отсутствии сигналов I1, I2 и I4 не зависимо от наличия сигнала I3.

Невозможность увеличения частоты вращения ротора высокого давления nВД выше его значения на максимальном режиме (nghвдjuh&max) при открытии КПВ объясняется тем, что согласно предлагаемому способу необходимо постоянно рассчитывать величину суммы nвд+nзав1бр. для формирования сигнала I3, используемого в логике выработки команды на открытие-закрытие КПВ.

Выполнение остальных операций способа позволяет обеспечить беспомпажную работу двигателя за счет необходимости сбрасывания газодинамической устойчивости при открытии КПВ.

На фиг.1 представлены следующие зависимости: 1 угла установки рычага управления двигателем (руд) от времени 2, 3 зависимость частоты вращения ротора высокого давления (nВД) от времени t соответственно по предлагаемому и известному решениям, 4, 5 зависимость производной частоты вращения от времени соответственно по предлагаемому и известному решениям. Из представленных графиков следует, что в предлагаемом решении отсутствует "заброс" nВД на величину nзавдбр. относительно первоначальной величины nВД; на фиг.2 блок-схема для осуществления способа.

Блок 1 представляет собой дифференциатор, в котором по величине nВД определяется ее производная по времени Блок 2 компаратор, в котором выполняется сравнение текущей величины с ее пороговым значением и при формируется второй сигнал на открытие КПВ I2 1, подаваемый на вход блока 6 типа ИЛИ.

Блок 3 это арифметическое устройство, на вход которого поступают сигналы о величине nВД и T*вх по которым определяется приведенная частота вращения ротора высокого давления: Блок 4 компаратор, выполняющий функцию сравнения величины nВД пр. с его пороговым значением ngjвдhjuпр& и при соотношении nвд пр < ngjвдhjuпр. формирующий сигнал на открытие КПВ I1 1.

Блок 5 компаратор, выполняющий функцию сравнения текущего значения руд с пороговой величиной gjhрудju. и при соотношении руд < gjhрудju& формирующий четвертый сигнал на открытие КПВ I4 1.

Блок 6 логическое устройство типа ИЛИ, на вход которого поступают сигналы I1, I2 и I4, и которое на выходе формируют сигнал на открытие КПВ, если хотя бы один из поступающих сигналов равен 1, формирует сигнал на закрытие КПВ только при условии равенства нулю всех сигналов.

Блок 7 сумматор, определяющий суммарную величину текущих значений nВД и nвд Блок 8 компаратор, на один вход которого подается сигнал nВД, а на другой вход сигнал nghвдjuh&max Блок 9 логическое устройства типа "И", на вход которого поступают сигналы с блоков 6 и 8, а выход соединен с управлением КВД.

Блок 10 управляющий переключатель, работающий по сигналу положения КПВ. Если КПВ открыты (I 1), то блок 10 напрямую соединяет выход блока 6 с управлением КВД (пунктирная линия "б" в блоке 10), и команда на закрытие КПВ поступает от блока 6. Если КПВ закрыты (I 0), то блок 10 соединяет выход блока 6 с одним из входов блока 9 (сплошная линия "а" в блоке 10), а команда на открытие КПВ формируется в блоке 9 с учетом сигнала I3.

Блок 11 управляющий переключатель, работающий по сигналу положения КПВ аналогично блоку 10. Если КПВ открыты (IКПВ 1), то выход блока 9 разъединен с каналом подачи команды на КПВ, команда на закрытие КПВ поступает с выхода блока 6. Когда КПВ закрыты (IКПВ 0), то выход блока 9 соединен с каналом подачи команды на КПВ, команда на открытие КПВ поступает с выхода блока 9.

Способ осуществляется следующим образом.

На входы блоков 1, 3 и 7 поступает сигнал, характеризующий частоту вращения ротора высокого давления nВД. С блока 1 сигнал, характеризующий величину поступает на вход блока 2, где осуществляется сравнение текущей величины с пороговым значением При выполнении соотношения на выходе блока 2 формируется сигнал I2 на открытие КПВ, который поступает на первый вход блока 6 ИЛИ. Сигнал I1 формируется в блоках 3 и 4. На вход блока 3 дополнительно к сигналу о величине nВД подается сигнал, характеризующий полную температуру воздуха на входе в двигатель T*вх Блок 3 формирует сигнал, характеризующий величину производной по T*вх частоты вращения ротора высокого давления, который подается на вход компаратора 4. Компаратор 4 выполняет сравнение величин nВД пр. и ngjвдhjuпр& и при выполнении неравенства nвд пр < ngjвдhju.пр. формируется сигнал I1 на открытие КПВ, который поступает на второй вход блока 6. По результату сравнения величин руд и gjhрудju& блок 6 формирует сигнал I4 на открытие КПВ (при выполнении неравенства руд < gjhрудju ), который поступает на третий вход блока 6. Сигнал, характеризующий величину суммы nвд+nвд с выхода блока 7 поступает на вход компаратора 8, где осуществляется сравнение этой суммы с максимальным значением программной величины nghвдjuh&max При выполнении соотношения (nвд+вд) < nпрвдогр.max формируется третий сигнал I3 на открытие КПВ, который с выхода блока 8 поступает на вход блока 9 "ИЛИ". Формирование команд на открытие и закрытие КПВ выполняется по сигналам блоков 6 и 9 с учетом положения переключателей 10 и 11.

Порядок формирования команд следующий.

1. Команда на закрытие КПВ формируется при увеличении режима, например, с малого газа (МГ) на максимальный (Макс.). На режиме МГ: т.е. I1=1, I2=0, I4=1, блок 6 формирует сигнал на открытие КПВ. По сигналу IКПВ=1 (КПВ открыты) блок 10 соединяет выход блока 6 с каналом подачи команды на управление (в данном случае закрытие), блок 11 рассоединяет выход блока 9 от канала выдачи команд на КПВ, т.е. команда на закрытие КПВ подается с выхода блока 6.

В процессе увеличения режима работы руд > gjhрудju. I4=0, nвд пр > ngjвдhjuпр I1=0, I2=0, т.к. пороговое значение (для двигателя ПС-90А ngjвдhju = -200 об/мин с ). В блоке 6 формируется команда на закрытие КПВ, I= 0, КПВ закрываются, происходит переключение блоков 10 и 11. Блок 10 соединяет выход блока 6 с одним из входов блока 9, блок 11 подключает выход блока 9 с каналом подачи команд на КПВ. Команда на открытие КПВ поступает с выхода блока 9.

2. Открытие КПВ осуществляется при уменьшении режима работы, например, с режима "Макс" до режима "МГ". На режиме "Макс" руд > gjhрудju (I4=0), nвд пр > ngjвдhjuпр (I=0), (I2=0), в блоке 6 формируется команда на закрытие КПВ, сигнал подается на вход блока 9. В связи с тем, что на режиме "Макс" nвд = nghвдjuh&max; (nвд+nвд) > nghвдjuh&max с выхода блока 8 подается сигнал I= 0 на закрытие КПВ. В соответствии с логикой И на выходе блока 9 формируется команда на закрытие КПВ.

При перемещении РУД с режима "Макс" на "МГ" сразу возникает ситуация руд < поррудог при которой формируется сигнал I4=1 на открытие КПВ. При этом начинается уменьшение режима двигателя, т.е. а значит и I2= 1. По мере уменьшения режима появляется и сигнал I1=1. При наличии неравенства хотя бы одного из сигналов I1, I2 или I4 с выхода блока 6 поступает сигнал на открытие КПВ, этот сигнал поступает на один из входов блока 9. Однако, в начале уменьшения режима (величины nВД) некоторое время сохраняется ситуация, когда (nвд+nвд) > nghвдjuhmax и с выхода блока 8 поступает сигнал I=0, пока существует сигнал на входе блока 9, не формируется команда на открытие КПВ. В момент, когда появляется соотношение (nвд+nвд) nпрвдогрmax, на выходе блока 8 формируется сигнал I=1, и в блоке 9 формируется команда на открытие КПВ.

Величина nвд выбирается таким образом, чтобы выполнялось соотношение nвд npfв1,h т. е. чтобы в момент открытия КПВ всегда выполнялось соотношение nвд ngjвдhju.max Сравнение зависимостей nвд = f() для прототипа и предлагаемого решения показано на фиг.2. При использовании данного технического решения "заброса" nВД выше его программного значения на максимальном режиме ngjвдhjumax при открытии КПВ не происходит.

Формула изобретения

Способ управления перепуском воздуха в компрессоре двухвального двухконтурного газотурбинного двигателя, включающий измерение частоты вращения ротора высокого давления nв.д, сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением nпорв.дог и формирование первого сигнала I1 на открытие клапанов перепуска воздуха, определение величины производной по времени частоты вращения ротора сравнение с ее пороговым значением и формирование второго сигнала I2 на открытие клапана перепуска воздуха, отличающийся тем, что дополнительно измеряют полную температуру воздуха на входе в двигатель T*вх, определяют приведенное значение частоты вращения ротора а формирование сигнала I1 осуществляют при условии nв.д пр < ngjhjuв.дпр а также предварительно определяют величину разницы npf,в.дh между фактической максимальной частотой nв.дmax и программной максимальной частотой вращения ротора nпрогрв.дmax непосредственно после открытия клапана перепуска воздуха на максимальном режиме, затем формируют третий сигнал I3 на открытие клапана перепуска воздуха при условии, если сумма nв.д+ nзабв.др меньше величины ngjhjuв.дmax, кроме того, дополнительно измеряют величину угла установки рычага управления руд, сравнивают с соответствующим пороговым значением gjhрудju и формируют четвертый сигнал I4 на открытие клапана перепуска воздуха и при наличии одного из сигналов I1, I2 или I4 и обязательном поступлении третьего сигнала I3 подают команду на открытие клапана перепуска воздуха, а команду на закрытие клапана перепуска воздуха подают при одновременном отсутствии сигналов I1, I2 и I4 независимо от наличия сигнала I3.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

QZ4A Государственная регистрация изменений в зарегистрированный договор

Дата и номер государственной регистрации договора, в который внесены изменения: 25.09.2000 № 11252

Вид договора: лицензионный

Лицо(а), передающее(ие) исключительное право: Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" (RU)

Лицо, которому предоставлено право использования: Открытое акционерное общество "Пермский моторный завод" (RU)

Дата и номер государственной регистрации изменений, внесенных в зарегистрированный договор: 29.08.2011 РД0086143

Изменения:Исключение патентов на изобретения 2098649, 2087768, 2106508.

Дата публикации: 27.10.2011