Устройство управления механизацией компрессора газотурбинного двигателя

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических и гидромеханических системах автоматического управления (САУ) газотурбинными двигателями (ГТД).

Известны устройства управления механизацией компрессора ГТД по приведенной частоте вращения турбокомпрессора (ТК) и по степени сжатия воздуха в компрессоре двигателя [Шевяков А.А. «Теория автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов», М., Машиностроение, 1976 г.].

Устройство управления механизацией компрессора ГТД по приведенной частоте вращения ТК вытекает из теории лопаточных машин, одной из которых является осевой компрессор, поэтому является приоритетным. В этом случае зависимость между углом установки регулируемых направляющих лопаток компрессора и приведенной частотой вращения ТК линейная. Такие устройства обеспечивают оптимальное обтекание лопаток осевого компрессора и высокий КПД.

Однако в связи с тем, что при классическом способе формирования приведенной частоты вращения ТК необходимо измерение температуры воздуха на входе в двигатель (N_{тк. пр}=N_тк×√288,15/Т_вх), реализация такого устройства весьма затруднена, где:

N_тк - частота вращения ТК двигателя;

N_{тк. пр} - приведенная частота вращения ТК двигателя;

Т_вх - температуры воздуха на входе в двигатель.

Это связано прежде всего со сложностью передачи информации в случае гидромеханической реализации устройства от датчика температуры, установленного в воздухозаборнике двигателя, до устройства управления механизацией компрессора, выполненного, как правило, в составе насоса-регулятора двигателя из-за необходимости измерения частоты вращения ТК, который установливается на коробке приводов в средней части двигателя.

Поэтому, например, на вертолетных двигателях семейства ТВ3-117 всех модификаций имеется специальный воздухопровод, по которому воздух от воздухозаборника поступает к насосу-регулятору НР-3, установленному на коробке приводов двигателя, для обдува датчика температуры. При этом воздух естественно нагревается от горячего двигателя, что вызывает погрешность при формировании приведенной частоты вращения ТК двигателя. Также сложным является устройство формирования приведенной частоты вращения ТК по ранее приведенной формуле.

В настоящее время в электронно-гидромеханических САУ двигателей электронный регулятор управляет механизацией компрессора двигателя, как правило, по приведенной частоте вращения ТК, а резервный гидромеханический регулятор, подключающийся к управлению при обесточивании или отказе электронного регулятора, управляет механизацией компрессора, как правило, по степени сжатия воздуха в компрессоре двигателя π_К=Р_к/Р_вх, где Р_к - давление воздуха за компрессором двигателя.

Такое устройство реализуется проще, но имеет ряд недостатков по сравнению с управлением механизацией компрессора по приведенной частоте вращения ТК, связанных прежде всего с повышенной погрешностью в связи с нелинейностью зависимости π_К от N_{тк. пр}, расслоением π_К по высоте полета летательного аппарата и падением π_К при отборах воздуха от компрессора на нужды двигателя и летательного аппарата, в то время как приведенная частота вращения ТК двигателя при сохранении мощности возрастает.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является устройство механизации компрессора ГТД, содержащее датчики частоты вращения турбокомпрессора (ТК) двигателя и температуры воздуха на входе в двигатель, счетно-решающее устройство для формирования величины приведенной частоты вращения ТК и вычисления по заданным законам в зависимости от приведенной частоты вращения ТК заданных положений регулируемых направляющих аппаратов (РНА) и клапанов перепуска воздуха (КПВ), измеритель фактического положения РНА и КПВ, механизм сравнения фактических положений РНА и КПВ с заданными, формирователь управляющего воздействия на приводы РНА и КПВ до тех пор, пока фактические положения РНА и КПВ не станут равны заданным [см. Описание изобретения к патенту №2514463 С2 (RU) «Способ управления механизацией компрессора газотурбинного двигателя», М.кл. F04D 27/00]. Описанное в этом изобретении устройство обеспечивает согласованную и беспомпажную работу многоступенчатого компрессора ГТД и его высокий КПД.

Недостатком устройства является сложность измерения температуры воздуха во входном устройстве двигателя в гидромеханических системах автоматического управления (САУ), а также в резервных регуляторах электронно-гидромеханических САУ ГТД. Это связано с достаточно большим объемом гидромеханических (механических) датчиков температуры, затеняющих поток воздуха во входном устройстве, а также с трудностью доведения сигнала до гидромеханического регулятора.

Целью заявляемого технического решения является снижение стоимости и повышение надежности работы системы управления путем формирования величины приведенной частоты вращения ТК, используя более доступные параметры двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что, согласно заявляемому техническому решению, в устройство управления механизацией компрессора ГТД дополнительно введено счетно-решающее устройство, выполненное в виде объемного кулачка с записанной на нем приведенной дроссельной характеристикой двигателя, один из входов которого соединен с дозатором топлива в камеру сгорания (КС) двигателя, второй - с датчиком давления воздуха на входе в двигатель, по которому производится приведение расхода топлива к стандартной атмосфере на уровне моря (Р₀=0,1013 МПа), а выход - с задатчиком положений РНА и КПВ и дополнительно введен корректор положения РНА и КПВ по величине измеренной частоты вращения ТК двигателя.

Расчеты показывают, что отклонение приведенной частоты вращения ТК от частоты, найденной по приведенной дроссельной характеристике двигателя по расходу топлива в КС, не приведенному по температуре воздуха на входе в двигатель, пропорционально отклонению физической (измеренной) частоты ТК от частоты, найденной по приведенной дроссельной характеристике. Поэтому можно записать формулу определения приведенной частоты вращения ТК двигателя по приведенной дроссельной характеристике двигателя без измерения температуры воздуха на входе в двигатель в следующем виде:

N_{тк. пр}=N_тк^дх+А(N_тк^дх-N_тк),

где N_тк^дх - частота вращения ТК двигателя, найденная по приведенной дроссельной характеристике двигателя; А - коэффициент коррекции, зависящий от характера дроссельной характеристики двигателя.

На рис. 1 представлена схема устройства управления механизацией компрессора двигателя. Устройство содержит объемный кулачок 1 с записанной на нем приведенной дроссельной характеристикой двигателя, соединенный с дозатором топлива 2 в КС двигателя, датчиком 3 давления воздуха на входе в двигатель, корректором 4 и сумматором 6. Корректор 4 соединен с датчиком 5 частоты вращения ТК двигателя и с сумматором 6, соединенным с формирователем 7 заданных положений РНА и КПВ, который в свою очередь соединен с механизмом 8 формирования управляющих воздействий на приводы РНА и КПВ, связанный прямыми и обратными связями с приводами 9 РНА и КПВ.

Устройство работает следующим образом: объемный кулачок 1 получает информацию о величине расхода топлива в КС от дозатора 2, используя информацию от датчика 3 давления воздуха на входе в двигатель, приводит расход топлива к давлению воздуха на входе в двигатель, равному Ро=0,1013 МПа. По приведенной дроссельной характеристике двигателя определяет величину частоты вращения ТК двигателя исходя из температуры воздуха на входе в двигатель, равной 288,15К, и передает ее в корректор 4 и в сумматор 6. Датчик 5 измеряет величину фактической частоты вращения ТК и передает ее в корректор 4, который вычитает из частоты, найденной по приведенной дроссельной характеристике двигателя, фактическую частоту вращения ТК, полученную величину умножает на коэффициент коррекции А и результат передает на сумматор 6. Сумматор 6 суммирует величину частоты, полученную от объемного кулачка с величиной коррекции, полученной от корректора, получает истинную величину приведенной частоты вращения ТК двигателя и передает ее формирователю 7, который по заданным законам формирует заданные положения РНА и КПВ и передает эту информацию механизму формирования 8 управляющих воздействий на приводы РНА и КПВ, который дополнительно получает фактические значения положения РНА и КПВ, сравнивает их с заданными, по величине рассогласования формирует управляющие воздействия на исполнительные механизмы до тех пор, пока фактические положения РНА и КПВ не станут равны заданным.

Как видно из изложения сущности заявляемого технического решения, оно обладает новизной, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо. Предлагаемое техническое решение обеспечивает формирование приведенной частоты вращения ТК двигателя, в зависимости от которой управляется механизация компрессора, путем использования приведенной дроссельной характеристики двигателя без измерения температуры воздуха на входе в двигатель, что снижает стоимость устройства и повышает его надежность.

Описанное выше устройство механизации компрессора ГТД прошло испытания в составе насоса-регулятора НР3000 на двигателе ТВ3-117ВМА-СБМ1В 1 серии и показало результаты, соответствующие заданным требованиям.