Спосіб керування механізацією компресора газотурбінного двигуна

Реферат: Спосіб керування механізацією компресора газотурбінного двигуна включає визначення приведення частоти обертання турбокомпресора (ТК) двигуна, по приведеній частоті обертання ТК двигуна за заданими законами керування положенням регульованих направляючих апаратів (РНА) і клапанів перепускання повітря (КПВ) компресора розраховують задані положення РНА і КПВ, вимірюють фактичні положення РНА і КПВ, порівнюють задані і фактичні положення РНА і КПВ, по величині неузгодженості формують дії, що управляють, на приводи РНА і КПВ до тих пір, поки фактичні положення РНА і КПВ стануть рівні заданим. Додатково визначають частоту обертання ТК по приведеній дросельній характеристиці двигуна, використовуючи величину витрати палива в камері згорання двигуна, приведену по тиску повітря на вході в двигун, порівнюють її з виміряною частотою обертання ТК, по величині неузгодженості з врахуванням режиму роботи двигуна розраховують величину корекції знайденої частоти, підсумовують величину корекції з частотою, знайденою по приведеній дросельній характеристиці двигуна, отримують приведену частоту обертання ТК і використовують її для розрахунку заданих положень елементів механізації компресора двигуна. UA 117007 U (12) UA 117007 U UA 117007 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області авіаційного двигунобудування і може бути використана в електронно-гідромеханічних і гідромеханічних системах автоматичного керування (САУ) газотурбінними двигунами (ГТД). Найбільш відомими способами керування механізацією компресора ГТД є керування за ступенем стиснення повітря (πк) в компресорі двигуна: αрна; становище КПВ=f(πк) і по приведеній частоті обертання (Nтк пр) турбокомпресора (ТК): αрна; стан КПВ=f(Nтк пр), де: πк - ступінь підвищення тиску повітря в компресорі двигуна, що дорівнює: πк (Рк/Рвх); Рк - тиск повітря за компресором двигуна; Рвх - тиск повітря на вході в двигун; αрна - кут установки регульованих направляючих апаратів (РНА) компресора двигуна; КПВ - клапан перепускання повітря компресора двигуна; Nтк пр - приведена частота обертання ТК двигуна, що дорівнює: Nтк пр = Nтк  To/Tвx; Nтк - фізична (виміряна) частота обертання ТК двигуна; То - температура приведення, рівна температурі стандартної атмосфери на рівні моря (То=288,15К); Твх - температура повітря на вході в двигун; Спосіб керування механізацією компресора ГТД за ступенем стиснення повітря в компресорі полягає в тому, що вимірюють тиск повітря на вході в двигун Рвх і на виході з компресора Рк, обчислюють ступень стиснення πк як відношення тиску Рк до Рвх, по величині πк формують задані положення РНА і КПВ, порівнюють їх з фактичними, по величині неузгодженості формують керуючі впливи і подають їх на приводи РНА і КПВ до тих пір, поки фактичні положення РНА і КПВ не стануть рівні заданим. Цей спосіб описаний у винаході до патенту № 2392498 С2 (RU). "Пристрій керування механізацією компресора газотурбінного двигуна" 2008г. Прикладом реалізації цього способу керування механізацією компресора є насос-регулятор НР-2000 двигуна ТВЗ-117ВМА-СБМ1, "Турбогвинтовий двигун ТВЗ-117ВМА-СБМ1. Керівництво по технічній експлуатації 3170000000РЕ", ЗМКБ "Прогрес" ім. А.Г. Івченко, 1999 р. Недоліком цього способу є складність його реалізації в пристроях гідромеханічних САУ ГТД, а також в резервних регулювальниках електронно-гідромеханічних САУ із-за необхідності виміру 2-х тисків і ділення 2-х величин, пропорційних Рк і Рвх. Недоліком способу є також нелінійність характеристики αрна = f(πк) і необхідність вводити зміни в цю характеристику залежно від величини тиску Рвх через розшарування як по висоті польоту. Найбільш близьким до способу, що заявляється, за призначенням, фізичній суті, технічному рішенню і результату, що досягається при використанні, є спосіб керування механізацією компресора по приведеній частоті обертання ТК двигуна, що полягає в тому, що вимірюють частоту обертання ротора ТК і температуру повітря на вході в двигун, по частоті обертання ТК і величині температури повітря розраховують приведену частоту обертання ротора ТК, по приведеній частоті обертання формують задані положення РНА і КПВ компресора, порівнюють їх з фактичними, по величині неузгодженості формують дії, що управляють, і подають їх на приводи РНА і КПВ до тих пір, поки фактичні положення РНА і КПВ не стануть рівні заданим. Цей спосіб описаний у винаході до патенту № 2514463 СІ (RU) "Спосіб механізації компресора газотурбінного двигуна" 2012г. Прикладом реалізації цього способу керування механізацією компресора є насос-регулятор НР-3 двигунів ТВЗ-117 всіх модифікацій, "Керівництво по технічній експлуатації турбовального двигуна ТВ3-117", ЛНПО ім. В.Я. Клімова, Ленінград 1986 г. Недоліком цього способу є складність реалізації його в гідромеханічних САУ, а також в резервних гідромеханічних регуляторах електронно-гідромеханічних САУ внаслідок необхідності виміру гідромеханічними пристроями температури повітря у вхідному пристрої двигуна. Особливо це стосується малорозмірних ГТД, в яких установка досить об'ємного гідромеханічного датчика температури в проточній частині двигуна викликає затінювання потоку повітря і сприяє виникненню зривних явищ на лопатках компресора (помпажу). Тому на таких двигунах датчик температури вхідного в двигун повітря розміщується, як правило, на пристрої, керуючому механізацією компресора, а повітря з вхідного пристрою двигуна підводять до датчика спеціальним повітропроводом, що вимагає додаткових матеріальних витрат і приводить до зміни температури повітря унаслідок нагріву його від двигуна. В основу корисної моделі поставлена задача спрощення реалізації описаного способу керування механізацією компресора ГТД шляхом визначення приведеної частоти обертання ротора ТК двигуна по внутрішніх параметрах двигуна без виміру температури повітря на вході в двигун. 1 UA 117007 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Поставлена задача вирішується тим, що однією з основних характеристик ГТД є приведена дросельна характеристика, що показує залежність приведеної частоти обертання ротора ТК від приведеної витрати палива в камері згорання (КЗ) двигуна (Gт пр = Gт  Ро/Рвх   То/Твх), де: Gт пр - приведена витрата палива в КЗ двигуна; Gт - фактична (виміряна) витрата палива в КЗ двигуна; Ро - тиск приведення, рівний стандартній атмосфері на рівні моря Ро=0,1013 МПа. По приведеній дросельній характеристиці двигуна, знаючи величину приведеної витрати палива в КЗ, можна визначити величину приведеної частоти обертання ротора ТК двигуна. У разі, коли витрата палива приведена лише по тиску повітря на вході в двигун без приведення його по температурі повітря на вході в двигун, знайдена по приведеній дросельній характеристиці частота обертання ТК буде збігатися з приведеною частотою обертання ТК лише при температурі повітря на вході в двигун, рівній температурі приведення То=288,15К. При відхиленні температури повітря від температури приведення частота, знайдена по приведеній дросельній характеристиці в разі відсутності приведення витрати палива по температурі повітря дорівнюватиме частоті, яка мала б місце при температурі повітря на вході в 288 двигун рівної То=288,15К (Nтк ), тобто відрізнятиметься від приведеної, де: 288 Nтк - частота обертання ТК знайдена по приведеній дросельній характеристиці двигуна в разі приведення витрати палива в КЗ лише по тиску повітря на вході в двигун. Проведені розрахунки показують, що при незмінних фізичних (виміряних) витратах палива в КЗ двигуна при зміні температури повітря на вході в двигун змінюються як Nтк пр, так і Nтк. Так в таблиці № 1 як приклад приведені розрахункові дані по зміні Nтк пр і Nтк сімейства двигунів ТВЗ-117 при незмінних витратах палива в КЗ двигуна на режимах із закритими КПВ в діапазоні температур повітря на вході в двигун від мінус 60 до плюс 60 C. З таблиці видно, що при зміні температури повітря на вході в двигун є залежність між змінами Nтк пр і Nтк, причому при температурі приведення То=288,15 К Nтк пр і Nтк рівні між собою і в разі відсутності приведення витрат палива по температурі повітря збігаються з частотою, знайденої за приведеною дросельною характеристикою. Таким чином відхилення виміряної частоти Nтк від знайденої по приведеній дросельній характеристиці свідчить про відхилення температури повітря на вході в двигун від температури приведення (То=288,15К). При цьому відхилення приведеної частоти обертання ТК (ΔNтк пр) від знайденої по приведеній дросельній характеристиці пропорційно відхиленню від неї виміряної частоти обертання ТК (ΔNтк). Таким чином при описаному способі приведена частота обертання ТК двигуна рівна: 288 288 Nтк пр = Nтк +Ai(Nтк -Nтк), (1) де: Аі - коефіцієнт корекції, залежний від характеру приведеної дросельної характеристики і режиму роботи двигуна. Як видно з формули, заявлений спосіб керування механізацією компресора ГТД дозволяє отримувати приведену частоту обертання ТК двигуна, залежно від якої керуються елементи механізації компресора ГТД, за внутрішніми параметрами двигуна без безпосереднього виміру температури повітря на вході в двигун. Таблиця Зміна Nтк, Nтк пр і коефіцієнта корекції Аі сімейства двигунів ТВЗ-117 при тиску повітря на вході в двигун рівному Рвх=0,1013МПа і постійних фізичних витратах палива в КЗ на режимах від закриття КПВ до Злітного в діапазоні температур повітря на вході в двигун від мінус 60 до плюс 60 °C. Режим роботи двигуна Режим закриття 0,45 МП Gт=273 0,7 МП Gт=349,1 МП Gт=439,5 кг/ч ЗЛІТ Gт=531 кг/ч t°C (К) КПВ Gт=192 кг/ч кг/ч кг/ч Nтк Nтк Nтк Nтк Nтк Nтк % Аі Nтк % Аі Nтк % Ai Nтк % Ai Nтк % Ai пp % пр % пp % пp % пp % -60(213,15) 74,7 86,9 0,184 78,7 91,5 0,174 81,4 94,6 0,179 84,1 97,8 0,172 86,3 100,4 0,167 -30(243,15) 79,1 86,1 0,186 83,3 90,7 0,175 86,1 93,7 0,172 89,0 96,9 0,176 91,5 99,6 0,174 +30(303,15) 86,9 84,65 0,184 91,6 89,25 0,175 94,6 92,25 0,175 97,7 95,35 0,175 100,5 98,05 0,167 +60(333,15) 90,2 84 0,192 95,3 88,55 0,184 98,6 91,65 0,175 101,9 94,8 0,177 104,6 97,3 0,177 Nтк Nтк Nтк Nтк Nтк 288 288 288 288 288 +15(288,15) 85 89,6 92,6 95,7 98,4 85 89,6 92,6 95,7 98,4 Аі середнє 0,187 0,177 0,175 0,175 0,171 МП - максимально-тривалий режим роботи двигуна. 2 UA 117007 U 5 10 15 20 25 Заявлений спосіб полягає в тому, що вимірюють частоту обертання ТК, витрату палива в КЗ двигуна і тиск повітря на вході в двигун, приводять витрату палива до стандартної атмосфери на рівні моря, по відомій приведеній дросельній характеристиці двигуна, використовуючи витрату палива в КЗ, приведений по тиску повітря на вході в двигун, знаходять частоту обертання ТК двигуна, порівнюють її з виміряною частотою обертання ТК двигуна, по величині неузгодженості розраховують величину корекції знайденої частоти, підсумовують величину корекції з частотою, знайденою по приведеній дросельній характеристиці двигуна, отримують приведену частоту обертання ТК двигуна, по приведеній частоті за заданими законами визначають задані положення РНА і КПВ, вимірюють фактичні положення РНА і КПВ, порівнюють задані і фактичні положення РНА і КПВ, по величині неузгодженості формують керуючі впливи на приводи РНА і КПВ поки фактичні положення не стануть рівні заданим. Суть корисної моделі пояснюють креслення. На кресленні представлена одна з можливих схем пристрою, що реалізовує описаний спосіб керування механізацією компресора. Пристрій містить блок датчиків вхідної інформації 1, сполучений з регулювальником витрати 2, блоком 3 і коректором 5, регулювальник витрати 2 сполучений з виконавчим механізмом 7 подач палива в КЗ двигуна і блоці 3, яки отримують інформацію від блоку 1 про тиск повітря на вході в двигун, що перераховує витрату палива до тиску стандартної атмосфери на рівні моря і сполученим з пристроєм 4, таким, що містить приведену дросельну характеристику двигуна, формує по приведеній дросельній характеристиці частоту обертання ТК і сполученим з коректором 5, отримуючим інформацію про виміряну частоту обертання ТК двигуна від блока 1 і про частоту, знайдену по приведеній дросельній характеристиці від пристрою 4. Коректор 5 по формулі 1 обчислює приведену частоту обертання ТК і передає її блоку 6, який за заданими законами формує задані положення РНА і КПВ, порівнює їх з фактичними положеннями РНА і КПВ, що отримуються від виконавчих механізмів 8, по величині неузгодженості виробляє команди, що керують, і передає їх виконавчим механізмам 8 РНА і КПВ, що реалізують ці команди. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 Спосіб керування механізацією компресора газотурбінного двигуна, що включає визначення приведення частоти обертання турбокомпресора (ТК) двигуна, по приведеній частоті обертання ТК двигуна за заданими законами керування положенням регульованих направляючих апаратів (РНА) і клапанів перепускання повітря (КПВ) компресора розраховують задані положення РНА і КПВ, вимірюють фактичні положення РНА і КПВ, порівнюють задані і фактичні положення РНА і КПВ, по величині неузгодженості формують дії, що управляють, на приводи РНА і КПВ до тих пір, поки фактичні положення РНА і КПВ стануть рівні заданим, який відрізняється тим, що визначають частоту обертання ТК по приведеній дросельній характеристиці двигуна, використовуючи величину витрати палива в камері згорання двигуна, приведену по тиску повітря на вході в двигун, порівнюють її з виміряною частотою обертання ТК, по величині неузгодженості з врахуванням режиму роботи двигуна розраховують величину корекції знайденої частоти, підсумовують величину корекції з частотою, знайденою по приведеній дросельній характеристиці двигуна, отримують приведену частоту обертання ТК і використовують її для розрахунку заданих положень елементів механізації компресора двигуна. 3 UA 117007 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4