Спосіб керування потоком повітря в газовій турбіні і система для здійснення даного способу

1. Система керування потоком повітря, що вводиться в оболонку газової турбіни авіаційного двигуна, причому потік повітря регулюється регулювальним вентилем (60), положення якого визначається першим керуючим сигналом (SC10), що обчислюється на основі першого заданого значення (VC10), що відповідає наперед визначеній величині зазору між ротором і оболонкою турбіни, яка відрізняється тим, що додатково містить засоби (20; 30) обчислення щонайменше другого керуючого сигналу (SC20; SC30) на основі другого заданого значення (VC20; VC30), який відрізняється від першого заданого значення (VC10), що відповідає величині зазору в турбіні, і вибираючий засіб (50). 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що друге задане значення (VC20; VC30) відповідає наперед визначеній температурі турбіни або наперед визначеному ступеню відкриття вентиля. 3. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що друге задане значення (VC20) відповідає наперед визначеній температурі турбіни, причому вибираючий засіб (50) вибирає другий керуючий сигнал (SC20) залежно від значень одного або декількох параметрів двигуна, що дозволяють виявити підвищення температури, пов'язане із зносом деталей. 4. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що друге задане значення (VC30) відповідає наперед визначеному ступеню відкриття вентиля, причому вибираючий засіб (50) вибирає другий керуючий сигнал (SC30) залежно від значень одного або 2 (19) 1 3 84280 4 вальним вентилем (60), положення якого визначавід першого і другого заданих значень, причому ється першим керуючим сигналом (SC10), обчисданий третій керуючий сигнал вибирають як сигленим на основі першого заданого значення нал керуння регулювальним вентилем залежно від (VC10), що відповідає наперед визначеній величизначень щонайменше одного параметра двигуна. ні зазору між ротором і оболонкою турбіни, який 16. Спосіб за п. 15, який відрізняється тим, що відрізняє ться тим, що додатково визначають щотретє задане значення (VC30; VC20) відповідає найменше один другий керуюючий сигнал (SC20; наперед визначеному ступеню відкриття вентиля SC30), обчислений на основі другого заданого або наперед визначеній температурі турбіни. значення (VC20; VC30), що відрізняється від пер17. Спосіб за будь-яким з пп. 11-13, який відрізняшого заданого значення (VC10), що відповідає ється тим, що додатково обчислюють третій кевеличині зазору в турбіні, причому вибір другого руючий сигнал (SC30) на основі третього заданого керуючого сигналу для керування регулювальним значення (VC30), що відповідає наперед визначевентилем здійснюють відповідно до значень щоному ступеню відкриття вентиля, причому третій найменше одного параметра двигуна. керуючий сигнал вибирають залежно від значень 12. Спосіб за п. 11, який відрізняється тим, що щонайменше одного параметра двигуна, що додруге задане значення (VC20; VC30) відповідає зволяють виявити перехід двигуна в режим малого наперед визначеній температурі турбіни або напегазу або дефектність першого керуючого сигналу. ред визначеному ступеню відкриття вентиля. 18. Спосіб за будь-яким з пп. 11, 12 і 14, який від13. Спосіб за п. 11, який відрізняється тим, що різняється тим, що додатково обчислюють третій друге задане значення (VC20) відповідає наперед керуючий сигнал (SC20) на основі третього задавизначеній температурі турбіни, причому др угий ного значення (VC20), що відповідає наперед викеруючий сигнал (SC20) вибирають залежно від значеній температурі турбіни, причому третій кезначень щонайменше одного параметра двигуна, руючий сигнал вибирають залежно від значень що дозволяє виявити підвищення температури, щонайменше одного параметра двигуна, що допов'язане із зносом деталей. зволяють виявити наперед визначений ступінь 14. Спосіб за п. 11, який відрізняється тим, що зносу. друге задане значення (VC30) відповідає ступеню 19. Спосіб за будь-яким з пп. 11-18, який відрізнявідкриття вентиля, причому другий керуючий сигється тим, що включає етап відновлення початконал (SC30) вибирають залежно від значень щового стану двигуна по значеннях щонайменше найменше одного параметра двигуна, що дозвоодного параметра двигуна, який передує етапу ляє виявити перехід двигуна в режим малого газу обчислення керуючого сигналу. або дефектність першого керуючого сигналу. 20. Спосіб за будь-яким з пп. 11-19, який відрізня15. Спосіб за будь-яким з пп. 11-14, який відрізняється тим, що потік повітря, що вводиться в обоється тим, що додатково обчислюють третій келонку турбіни, подають від вентилятора або щоруючий сигнал (SC30; SC20) на основі третього найменше одного ступеня компресора двигуна. заданого значення (VC30; VC20), що відрізняється Даний винахід відноситься до турбін високого тиску, наприклад, таким, що використовуються в авіаційних двигунах, в яких зазор між торцями лопаток ротора і оболонкою статора регулюють за допомогою потоку повітря з контрольованою витратою. На Фіг.1 зображена турбіна 100 високого тиску турбореактивного турбомашини, що складається, по суті, з робочих (рухомих) лопаток 102, розташованих в каналі 105 течії гарячих газів, які надходять з камери згоряння (не представлена). Робочі лопатки 102 турбіни оточені кільцевою оболонкою 106. Оболонка 106 прикріплена до корпусу 108 турбіни за допомогою секторних перемичок 110. Відомий метод підвищення к.к.д. такої турбіни полягає в максимальному зменшенні зазору J, що є між торцями робочих лопаток 102 ротори турбіни і оболонки 106. З цією метою навколо корпусу 108 турбіни встановлюють пристрій 112 регулювання величини зазору J. Цей пристрій 112 регулювання містить, зокрема, кільцеві канали 114 циркуляції повітря, що забезпечують можливість випуску повітря на кільцеві ребра 116 корпусу 108 для їх охолоджування. В пристрій 112 регулювання надходить повітря, забране з інших частин турбореактивного двигуна (вентилятора або ступенів компресора високого тиску). Витрата повітря, що вводиться в пристрій 112, регулюється вентилем 120, що розташований перед пристроєм 112. Вентиль 120 обладнаний виконавчим механізмом, який приводиться в дію керуючим сигналом Scom. Цей сигнал встановлює вентиль в яке-небудь певне положення між 0% і 100% відкриття і, таким чином, встановлює витрату Fi потоку повітря, що вводиться в пристрій 112. Керуючий сигнал Scom розраховується контуром регулювання, який порівнює величину зазору, що є між торцями лопаток ротора і оболонкою, із заданою величиною, яка відповідає значенню зазору, яке необхідно встановити або підтримувати. Таким чином, потік Fi повітря, що надходить в пристрій 112, регулюється залежно від одержуваного керуючого сигналу Scom, що дозволяє забезпечувати термічне розширення або скорочення кільцевих ребер 116 корпусу 108 з метою зміни розмірів оболонки 106 турбіни і, таким чином, встановлювати задану величину зазору J. 5 84280 6 Проте, як було вказано вище, керування регувідповідає наперед визначеному ступеню відкритлюючим вентилем здійснюється з використанням тя вентиля, вибираючий засіб виконаний з можлизаданого значення тільки одного типу, а саме, вевістю вибирати другий керуючий сигнал залежно личини, що характеризує заданий зазор між торвід значень щонайменше одного параметри двигуцями лопаток ротора і оболонкою. Це, зокрема, на, що дозволяє виявити перехід двигуна в режим пояснюється тим, що дана керуюча логіка викорималого газу або ж відсутність або дефектність стовується на етапі крейсерського польоту, тобто першого керуючого сигналу. протягом більшої частини польоту. Хоча регулюВідповідно до іншого варіанту здійснення вивання розміру зазору дозволяє підвищити к.к.д. находу система додатково містить засоби обчисдвигуна і, отже, забезпечити економію палива в лення третього керуючого сигналу на основі трекрейсерському режимі, цей критерій зовсім не тього заданого значення, яке відрізняється від обов'язково є пріоритетним на інших етапах робопершого і другого заданих значень, причому вибити двигуна, наприклад, в режимах малого газу або раючий засіб вибирає третій керуючий сигнал як зльоту, на яких збільшення к.к.д. нехтовно мало, сигнал керування регулювальним вентилем залеабо ж регулювання неможливе (наприклад, при жно від значень щонайменше одного параметра дуже великій величині зазору при низьких темпедвигуна. ратурах в режимі малого газу). Якщо друге задане значення відповідає напеТаким чином, відомі системи не дозволяють ред визначеній температурі турбіни, третє задане забезпечити регулювання потоку повітря за допозначення може відповідати наперед визначеному могою інших встановлених значень, окрім значенступеню відкриття вентиля. І навпаки, якщо друге ня величини зазору між торцями лопаток і оболонзадане значення відповідає наперед визначеному кою турбіни. ступеню відкриття вентиля, третє задане значення Задача, на вирішення якої спрямований даний може відповідати наперед визначеній температурі винахід, полягає в усуненні вищевказаних недолітурбіни. ків і в запропонуванні системи, що забезпечує моЗасоби обчислення керуючого сигналу можуть жливість керування потоком повітря, що вводиться містити засоби відновлення початкового стану в оболонку турбіни, в залежності від щонайменше двигуна по значеннях щонайменше одного параще одного параметра, який відрізняється від напеметри двигуна. Це дозволяє ініціалізувати щонайред визначеного значення зазору між ротором і менше одну математичну модель, що використооболонкою. вуються для обчислення керуючого сигналу в Для вирішення поставленої задачі пропонуреальних умовах, в яких знаходиться двигун. ється система керування потоком повітря, що ввоПотік повітря, керований системою за винаходиться в оболонку газової турбіни авіаційного двидом, може бути потоком повітря, що надходить від гуна, в якій потік повітря регулюється вентилятора або від однієї або декількох ступіней регулювальним вентилем, причому положення компресора двигуна. регулювального вентиля визначається першим Даний винахід також охоплює спосіб керуванкеруючим сигналом, що обчислюється на основі ня потоком повітря, що вводиться в оболонку гапершого заданого значення, яке відповідає напезової турбіни авіаційного двигуна, причому потік ред визначеній величині зазору між ротором і обоповітря регулюється регулювальним вентилем, лонкою турбіни. Система за винаходом додатково положення якого визначено першим керуючим містить засоби обчислення щонайменше другого сигналом, який обчислений на основі першого закеруючого сигналу на основі другого заданого знаданого значення, що відповідає наперед визначечення, яке відрізняється від першого заданого ній величині зазору між ротором і оболонкою турзначення, що відповідає величині зазору в турбіні, біни. При цьому згідно способу за винаходом і вибираючий засіб, виконаний з можливістю здійсдодатково визначають щонайменше другий керунювати вибір даного другого керуючого сигналу ючий сигнал, який обчислюється на основі другого для керування регулювальним вентилем залежно заданого значення, що відрізняється від першого від значень щонайменше одного параметра двигузаданого значення, яке відповідає величині зазору на. в турбіні. Крім того, вибір другого керуючого сигТаким чином, керування потоком повітря, що налу для керування регулюючим вентилем здійсвводиться в оболонку турбіни, може здійснюватинюють відповідно до значень одного або декількох ся відповідно до заданих значень, які відрізняютьпараметрів двигуна. ся від значення, що відповідає величині зазору між Друге задане значення може відповідати налопатками і оболонкою. При цьому система місперед визначеній температурі турбіни. У такому тить засоби зміни типу керуючого заданого знаразі вибір другого керуючого сигналу проводять чення в процесі роботи. відповідно до значень одного або декількох параВідповідно до одного з варіантів здійснення метрів двигуна, що дозволяють виявити підвищенвинаходу др уге задане значення відповідає напеня температури, обумовлене зносом, або ж відпоред визначеній температурі турбіни або наперед відно до наперед визначеного ступеня відкриття визначеному ступеню відкриття вентиля. вентиля. При цьому вибір керуючого сигналу проЯкщо друге задане значення відповідає напеводять відповідно до значень одного або декількох ред визначеній температурі турбіни, вибираючий параметрів двигуна, що дозволяють виявити перезасіб може вибирати другий керуючий сигнал захід двигуна в режим малого газу або дефектність лежно від значень щонайменше одного параметра першого керуючого сигналу. двигуна, що дозволяє виявити наперед визначеВідповідно до одного з варіантів здійснення ний ступінь зносу. Якщо друге задане значення винаходу додатково обчислюють третій керуючий 7 84280 8 сигнал на основі третього заданого значення. Дане моменти роботи керуючого контуру. Модель містретє значення відрізняється від першого і другого тить співвідношення, які дозволяють описати позаданих значень, тобто від наперед визначеної ведінку і передбачити зсуви елементів залежно від температури турбіни або наперед визначеного значень зміряних параметрів двигуна (температуступеня відкриття вентиля залежно від значення, ри, тиск, швидкості обертання ротора, витрати вибраного як друге задане значення. При цьому палива і т.д.) Проте ці співвідношення, як правило, третій керуючий сигнал, який обчислюється на нелінійні і відповідають прогнозам, які змінюються основі одного або іншого заданого значення, визалежно від тривалості роботи двигуна. Отже, побирають залежно від значень одного або декількох чаткова ініціалізація моделі повинна проводитися параметрів двигуна, як описано вище. відповідно до умов, в яких знаходиться двигун. Інші особливості і переваги даного винаходу Зокрема, необхідно «повідомити» моделі інфорстануть зрозумілі з нижченаведеного докладного мацію про умови холодного або гарячого запуску опису конкретних варіантів здійснення винаходу, двигуна, щоб модель могла коректно інтерпретущо не накладають яких-небудь обмежень, що привати зміряні параметри, що використовуються. водиться з посиланнями на додані креслення. На Наприклад, при гарячому запуску двигуна величикресленнях: ни механічного зсуву елементів двигуна більше, - Фіг.1 схематично зображає пристрій подачі ніж при холодному запуску і ніж в подальші момеповітря в оболонку турбіни високого тиску; нти, коли теплова рівновага робочого режиму ще - Фіг.2 зображає функціональну схему здійсне досягнута. Як наслідок, залежно від ситуації нення системи за даним винаходом. варіюється також величина зазору J між вершинаНа Фіг.2 представлена спрощена модель сисми лопаток ротора і оболонкою. Відновлення цього теми 1 згідно з винаходом для логічного вибору початкового стану може бути здійснено з викорисформи керування потоком повітря, що вводиться в танням зміряних параметрів двигуна (температур, турбіну високого тиску авіаційного двигуна. Систечасу з упинки і т.д.). ма 1 містить, перш за все, відомий контур 10 обБлок 12 моделювання видає автоматично реробки (керуючий контур), призначений для регугульоване значення Ga10, що відповідає існуючій лювання величини зазору між торцями лопаток (поточної) величині зазору між вершинами лопаток турбіни і її оболонкою, як це описано вище з посиротора і оболонкою турбіни. Це значення Ga10 ланнями на Фіг.1. Контур 10 містить генератор 11 порівнюється із заданим значенням VC10 в компазаданого значення, що розраховує необхідну вераторі 13, який видає вихідне значення E10, яке личину зазору, який необхідно встановити для відповідає різниці між значенням Ga10 існуючого отримання певних параметрів 40 двигуна (швидкозазору і заданим значенням VC10, яке повинно сті обертання, витрати палива, тиск і т.д.), вимірюбути встановлено. Значення E10 передається кованих датчиками, що встановлені в двигуні. Генерегуючому модулю 14, який перетворює різницю, ратор 11 передає задане значення VC10 розраховану компаратором 13, в керуючий сигнал компаратору (схемі порівняння) 13, який, окрім SC10 регулювального вентиля 60 так, щоб забезцього, отримує автоматично регульоване значення печити подачу в турбіну повітряного потоку з наGa10, oj відповідає поточній величині зазору. Авпором, що забезпечує встановлення необхідної томатично регульоване значення Ga1O розраховеличини зазору. вується блоком 12 моделювання, який містить Як було описано з посиланнями на Фіг.1, повіматематичну модель 122, призначену для обчистря подають на корпус турбіни з метою зміни діалення величини зазору, що є між торцями лопаток метра оболонки і, отже, величини зазору між лопаі оболонкою турбіни, оскільки ця величина не може тками ротора і оболонкою. Повітря, що подається бути зміряна безпосередньо. Моделювання велив турбіну, може надходити від вентилятора або ж чини зазору проводиться на основі співвідношень, від однієї або декількох ступіней компресора висощо описують термічну і механічну поведінку як кого тиску, що дозволяє отримати потік повітря ротора, так і статора. різної температури. Для простоти викладу засобу Реальна величина зазору між торцями лопарегулювання потоку повітря, що надходить від ток і оболонкою залежить не тільки від теплового вентилятора або компресора, представлені вентирозширення/скорочення елементів ротора і статолем 60, який керується керуючим сигналом SC. ра, але і від механічних деформацій цих елеменПроте, для фахівця в даній області очевидно, що тів, наприклад, подовження лопаток під дією відлегко можна передбачити інші види засобів регуцентрової сили, породженої обертанням ротора, лювання і, зокрема, наявність декількох регулюваабо збільшення діаметра оболонки під дією внутльних вентилів, особливо при відборі повітря від рішнього тиску двигуна. З урахуванням цього блок декількох ступіней компресора. 12 моделювання одержує параметри 40 двигуна, Опишемо тепер інші частини системи, введені необхідні для обчислення величини зазору відповідповідно до винаходу. До їх числа входить щовідно до моделі, що використовується. До числа найменше один контур 20 або 30 обробки, а також вимірюваних параметрів і тих що використовуютьселектор 50 вибору керуючого сигналу (вибираюся для обчислень роботи двигуна входять, напричий засіб), що надходить на вентиль 60. клад, швидкість обертання турбіни, температури Контур 20 обробки відрізняється від контуру 10 ротора і статора, внутрішній і зовнішній тиск пообробки тим, що логіка керування вентилем здійсблизу турбіни. нюється відповідно до заданого значення VC20, Крім того, блок 12 моделювання містить блок яке відповідає значенню температури, а не вели121 відновлення початкових умов, який дозволяє чині зазору турбіни. Для цього, як і у разі контуру ініціалізувати або «запустити» модель в перші 10, контур 20 обробки містить генератор 21 зада 9 84280 10 ного значення, який видає значення VC20 темпеним пороговим значенням, як сигнал SC, що ратури в блок 22 моделювання. Блок 22 моделюпосилається на вентиль 60 для керування ним, вання використовує математичну модель 222, керуючий сигнал SC20, що встановлює задане асоційовану з модулем 221, для обчислення автозначення температури, а не величину зазору. Ісматично регульованого значення Ga20, що відпонують також і інші фази роботи двигуна, в яких відає деякому значенню температури. На ви ході може бути вигідно регулювати за допомогою венгенератора 21 і блоку 22 модуляції включено комтиля значення температури, а не величину зазору. паратор 23, який обчислює різницю Е20 між потоТакі фази можуть мати місце, наприклад, при рочним значенням Ga20 температури і заданим знаботі в умовах підвищеної температури: у разі наченням VC20, і корегує модуль 24, який бору висоти при максимальному завантаженні перетворює різницю Е20 в керуючий сигнал SC20 літака або при використанні двигуна, термін служтак, щоб встановити регулювальний вентиль 60 в би якого добігає кінцю. Перехід в одну з таких фаз положення, що забезпечує встановлення заданого відстежують по значеннях параметрів, вимірювазначення. Значення Ga20 отримують таким же них в двигуні (температури, тиск, швидкості оберчином, як і описане вище значення Ga10, але при тання ротора, витрати палива і т.д.), що дозволяє використанні моделі, що містить тільки співвідноздійснити автоматичний вибір найадекватнішої шення, що описують термічну поведінку. Параметлогіки керування. ри, що вимірюються в двигуні і використовуються Система керування за Фіг.2 додатково містить блоком 22 моделювання, ідентичні параметрам, ще один контур 30 обробки, призначений для прящо використовуються блоком 12 керування (теммого керування положенням вентиля. Для цього пература, тиск, швидкість обертання ротора, виконтур 30 містить генератор 31 заданого значення, трата палива і т.д.). який видає задане значення безпосередньо у фоЗадане значення VC20 температури отримурмі керуючого сигналу SC30, що відповідає задають залежно від зміряних параметрів двигуна. Ці ному ступеню відкриття вентиля від 0% до 100%. параметри можуть відповідати температурі, тиску, Ця логіка керування може бути використана, швидкості обертання ротора і витраті палива в зокрема, в тих фазах роботи двигуна, в яких не двигуні. визначена величина зазору між лопатками і обоКонтур 20 обробки дозволяє контролювати лонкою турбіни, а значення температур, що існутемпературу елементів турбіни на тих етапах роють в турбіні, значно нижчі за рівень, який може боти двигуна, на яких регульована величина зазопризвести до пошкодження елементів турбіни. Такі ру не визначена, або ж у випадках, коли тривафази відповідають, по суті, режимам малого газу лість терміну служби деталей більш істотна, ніж на землі. Для вибору в якості керуючого сигналу к.к.д. двигуна. Це можливо, наприклад, у разі, коли SC, що надходить на вентиль 60, сигналу SC30 знос двигуна зменшує його к.к.д. Питома витрата керування положенням селектор 50 може, наприпалива і температура вихлопних газів збільшуютьклад, відстежувати параметри режиму роботи двися пропорційно часу або кількості циклів роботи гуна (зокрема, швидкість обертання) для виявлендвигуна. Таким чином, по мірі старіння двигуна ня настання режиму малого газу. Можливі і для отримання необхідної тяги збільшують подачу варіанти здійснення, в яких селектором для вибопалива. Таке збільшення витрати палива викликає ру регулювання положення вентиля можуть додапідвищення температур в турбіні, яке може притково враховуватися такі параметри, як темперазвести до скорочення терміну служби деяких її тура, тиск або витрата палива. елементів, які вже піддалися дії старіння, зокрема, Керуючий сигнал SC30 може бути використакорпуси турбіни. Отже, регулювання потоку повітний також як резервний керуючий сигнал у разі ря залежно від температури дозволяє контролюнесправності схеми керування, що використовує вати температуру ци х елементів і збільшити терінші контури обробки. В цьому випадку при отримін їх служби, зокрема, на стадіях польоту, що манні інформації, що свідчить про несправність вимагають значної тяги, - наприклад, при зльоті. схеми керування, селектор 50 замінює дефектний Вибір між керуючим сигналом SC10, регулююкеруючий сигнал на керуючий сигнал SC30 так, чим величину зазору, і керуючим сигналом SC20, щоб встановити вентиль в певне положення. регулюючим температуру, здійснюється селектоВищеописані система і спосіб керування мором 50 відповідно до одного або декількох паражуть бути здійснені за допомогою програмованих метрів, одержуваних з параметрів 40 двигуна. Назасобів обробки (наприклад, мікроконтролера), приклад, ступінь старіння двигуна пропорційний відомих як такі. Система і спосіб за винаходом підвищенню температури ви хлопних газів. Селекможуть, наприклад, бути запрограмовані і реалізотор 50 може, таким чином, відстежувати темперавані в електронному блоці керування двигуном. туру ви хлопних газів і вибирати, починаючи з пев 11 84280 12 13 Комп’ютерна в ерстка О. Гапоненко 84280 Підписне 14 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601