Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕПУСКОМ ВОЗДУХА В КОМПРЕССОРЕ ДВУХВАЛЬНОГО ДВУХКОНТУРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к области защиты от помпажа компрессоров двухвальных 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 [1].

Однако в ряде случаев известные способы не обеспечивают беспомпажную работу подпорных ступеней, что ведет к аварийной работе ГТД.

Известен способ управления перепуском воздуха в компрессоре ГТД с целью предупреждения помпажа, который предусматривает измерение частот вращения роторов высокого и низкого давлений (n_вд, n_нд), определение производной по времени и формирование сигнала на исполнительный механизм перепуска воздуха в компрессоре ГТД [2].

Однако при реализации данного способа на двигателе с КПВ за компрессором среднего давления на одном валу с вентилятором был выявлен принципиальный недостаток, делающий применение известного способа практически невозможным. Так, на двигателе ПС-90А при сбросе режима с максимального на "малый газ" или любой другой пониженный режим значение почти мгновенно падает ниже порогового значения, и поступает сигнал на открытие КПВ. Если это происходит на максимальном режиме или вблизи него, то текущее значение n_вд может достичь величины n_вд ^max.

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

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ управления перепуском воздуха в компрессоре двухвального двухконтурного ГТД, который предусматривает измерение частоты вращения ротора высокого давления (РВД) n_вд, определение величины производной по времени частоты вращения ротора сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением и формирование сигнала I₁ на закрытие клапанов перепуска воздуха (КПВ), измерение полной температуры воздуха на входе в двигатель Т_вх, определение приведенной по Т_вх частоты вращения ротора РВД n_вд.пр., сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением n_вд.пр ^порог и формирование сигнала I₂ на закрытие КПВ, а также измерение угла установки рычага управления α_руд, сравнение α_руд с соответствующим пороговым значением α

При реализации данного способа на ГТД с клапанами перепуска воздуха за компрессором среднего давления, который размещен на одном валу с вентилятором, выявлен недостаток, затрудняющий применение способа в нештатных ситуациях, например, при самопроизвольном смещении лопаток входного направляющего аппарата ВНА компрессора высокого давления КВД.

Так, при закрытых клапанах перепуска воздуха и изменении положения ВНА на уменьшение расхода воздуха через КВД ниже определенной величины, работа компрессора среднего давления (КСД) становится неустойчивой.

Следствием неустойчивой работы КСД может быть вращающийся срыв КСД или помпаж КВД. Оба подобных явления могут привести к срыву и погасанию пламени в камере сгорания двигателя и, следовательно, к выключению двигателя, а при глубоком и длительном помпаже - к недопустимым по уровню вибраций и разрушениям элементов конструкции двигателя.

Как показали исследования на двигателе ПС-90А, срывные явления в КСД наблюдаются при рассогласовании между программным и фактическим углами положения ВНА, равном 20...30% от общего диапазона измерения углов положения ВНА. При рассогласовании свыше 40...50% и более возможен помпаж KBД.

В общем случае причинами нештатного изменения положения ВНА могут быть отказ исполнительного элемента управления ВНА, неисправность датчика положения ВНА и другие причины.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении безаварийной и беспомпажной работы двигателя за счет перепуска воздуха из внутреннего контура двигателя в наружный при наличии рассогласования между программным и фактическим углами положений лопаток входного направляющего аппарата компрессора выше предельно допустимой величины.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе управления перепуском воздуха в компрессоре двухвального двухконтурного газотурбинного двигателя, включающем измерение частоты вращения ротора высокого давления (РВД) n_вд, определение величины производной по времени частоты вращения ротора сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением и формирование сигнала I₁ на закрытие клапанов перепуска воздуха (КПВ), измерение полной температуры воздуха на входе в двигатель Т_вх, определение приведенной по Т_вх частоты вращения ротора РВД n_вд.пр., сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением n_вд.пр ^порог и формирование сигнала I₂ на закрытие КПВ, а также измерение угла установки рычага управления двигателем α_руд, сравнение α_руд с соответствующим пороговым значением α

При этом величину Δα

Кроме того, величину Δα

На чертеже представлена блок-схема для осуществления предлагаемого способа.

Блок 1 представляет собой дифференциатор, в котором по величине n_вд определяется ее производная по времени
Блок 2 - компаратор, в котором выполняется сравнение текущей величины с ее пороговым значением (для двигателя ПС-90А =-200 об/мин с).

При на выходе блока 2 формируется сигнал на закрытие КПВ (I₁= 1), поступающий на вход блока 6. При на выходе блока 2 формируется сигнал I₁=0.

Блок 3 представляет собой арифметическое устройство, на вход которого поступают сигналы о величине n_вд и Т_вх, и производится вычисление
Блок 4 - компаратор, выполняющий функцию сравнения фактического значения n_вд.пр с пороговым значением n_вд.пр ^порог. При n_вд.пр>n_вд.пр ^порог на выходе блока 4 формируется сигнал на закрытие КПВ (I₂=1), поступающий на вход блока 6.

Блок 5 представляет собой компаратор, выполняющий сравнение фактической величины угла установки рычага управления α_руд с его пороговым значением Δα

Блок 6 представляет собой логическое устройство типа И, имеет три входа и один выход, подключенный к первому входу блока 11. При поступлении на три входа блока 6 сигналов I₁=1, I₂=1, I₃=1 на выходе блока 6 формируется сигнал I₄=1 на закрытие КПВ.

Блок 7 представляет собой сумматор, на вход которого поступает сигнал о текущей величине n_вд, в нем определяется суммарная величина (n_вд+Δn_вд ^забр), где Δn_вд ^забр - величина заброса n_вд при открытии КПВ, т.е. разницы между максимальной величиной n_вд ^max непосредственно после открытия КПВ на максимальном режиме и программной максимальной величиной n_{вд.прог} ^max.

Блок 8 - компаратор, выполняющий сравнение величины (n_вд+Δn_вд ^забр) и величины n_вд ^max. При выполнении соотношения (n_вд+Δn_вд ^забр)<n_вд ^max на выходе компаратора формируется сигнал на открытие КПВ I₅=1, поступающий на вход блока 11. При (n_вд+Δn_вд ^забр)>n_вд ^max формируется сигнал I₅=0.

Блок 9 представляет собой сумматор, имеющий два входа и один выход. На первый вход поступает сигнал о фактической величине угла положения лопаток компрессора входного направляющего аппарата (ВНА) α_вна. На второй вход блока 9 поступает сигнал о величине программного значения α

Блок 10 представляет собой компаратор, имеющий два входа и один выход. На первый вход блока 10 поступает сигнал о фактической величине Δα_вна. На второй вход блока 10 поступает сигнал о величине предельно допустимого значения этой величины. Величина Δα

Для каждого типа двигателя Δα

При Δα_вна>Δα

Блок 11 представляет собой функциональное логическое устройство с тремя входами и одним выходом. Блок 11 при снятии сигнала I₄ с блока 6 оценивает состояние сигнала I₅, поступающего с блока 8. При поступлении на вход блока 11 сигнала I₅=1 с выхода блока 11 снимается команда на закрытие КПВ и происходит их открытие. При отсутствии на втором входе блока 11 сигнала I₅(n_вд+Δn_вд ^забр)>n_вд ^max команда на закрытие клапанов перепуска воздуха не снимается, и только после появления на втором входе сигнала I₅ (n_вд+Δn_вд ^забр)<n_вд ^max с выхода блока 11 команда на закрытие КПВ снимается, происходит их открытие.

При наличии сигнала I₄ и поступлении сигнала I₆ на третий вход блока 11 (т. е. клапаны закрыты Δα_вна>Δα

Способ осуществляется следующим образом.

На остановленном двигателе в исходном состоянии КПВ открыты.

1. После запуска двигателя на малом газе n_вд=0 об/мин с, т.е. n_вд.пр<n_вд.пр ^порог, α_руд<α

После перевода РУД, например, с малого газа на максимальный режим α_руд>α

2. При штатной работе регулятора ВНА открытие КПВ осуществляется при уменьшении режима работы двигателя, а именно при отсутствии любого из сигналов I₁, I₂, I₃=0 и наличии сигнала I₅=1 (аналогично прототипу).

3. При закрытых КПВ и нештатной работе регулятора ВНА Δα_вна>Δα

Источники информации
1. Авиационный двухконтурный турбореактивный двигатель Д-30КУ. Техническое описание. - М.: Машиностроение, 1975.

2. Патент США 4449360, F 02 С 9/28, 1981.

3. Патент РФ 2098668, F 04 D 27/02.