Результат интеллектуальной деятельности: Способ управления противообледенительной системой турбореактивного двухконтурного двигателя

Изобретение относится к противообледенительным системам летательных аппаратов, в частности к способу управления противообледенительной системой турбореактивного двухконтурного двигателя и может быть использовано в системах управления двигателем летательного аппарата.

В условиях полета необходимы постоянный контроль состояния турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) и повышение точности его управления, особенно в условиях обледенения элементов проточной части двигателя за счет имеющихся в атмосферном воздухе жидких переохлажденных капель размерами до 20 мкм, представляющих «классическое» обледенение, больших ледяных кристаллов и смеси фаз, включающих одновременно большие ледяные кристаллы и крупные переохлажденные капли воды размерами от 50 мкм до 2 мм. В зависимости от атмосферных условий обледенение элементов конструкции происходит в различных местах проточной части двигателя. При «классическом» обледенении образование льда происходит за счет имеющихся в атмосферном воздухе небольших ледяных кристаллов и жидких переохлажденных капель воды, в основном, на входе в двигатель в районе вентилятора, а при обледенении в условиях больших ледяных кристаллов и смеси фаз лед образуется в подпорных ступенях и в районе входа в компрессор высокого давления газогенератора. Образование льда в районе входа в компрессор высокого давления газогенератора обусловлено тем, что большие ледяные кристаллы, попадая в двигатель, проходят с воздухом через вентилятор и подпорные ступени, частично растаивают, поскольку температура воздуха в проточной части этих узлов повышается, в результате чего на поверхности вокруг больших ледяных кристаллов образуется водяная оболочка, которая при столкновении с конструкцией проточной части создает на ее поверхности водную пленку, к которой прилипают поступающие с воздухом кристаллы, образуя нарастание льда.

Образование ледяных кристаллов и переохлажденных капель воды различных размеров связано с определенными атмосферными условиями, в которых формируется только характерный, особый размер частиц льда и переохлажденных капель. В этой связи одновременное обледенение различных мест в проточной части двигателя ледяными кристаллами и переохлажденными каплями воды, которые имеют разные размеры, практически исключено.

Актуальность проблемы обеспечения работоспособности ТРДД в этих условиях объясняется необходимостью предупреждения возможного обледенения элементов конструкции проточной части двигателя, а в случае возникновения этого процесса быстрого его диагностирования и последующей ликвидации. Для этих целей ТРДД содержит противообледенительную систему, включение которой по определенному сигналу осуществляется системой управления, принцип работы которой состоит в отборе от двигателя в необходимом количестве горячего воздуха и подачей его во внутренние полости защищаемых от обледенения поверхностей элементов конструкции двигателя.

Известен способ управления противообледенительной системой турбореактивного двухконтурного двигателя, заключающийся в том, что на двигателе в полетных условиях по измеренным наружным параметрам условий полета формируют сигнал на включение электрической схемы, состоящей из источника тока, системы подводящих проводов и электронагревательных элементов, расположенных в местах возможного обледенения элементов конструкции двигателя (US 6725645, 2004).

Недостатком технического решения является необходимость наличия на борту летательного аппарата либо дополнительного источника тока (аккумуляторных батарей), либо электрогенератора для преобразования механической энергии, отобранной от вала двигателя, в электрическую, что неизбежно приведет как к дополнительным потерям энергии при ее преобразовании, так и к увеличению массово-габаритных показателей двигателя.

Известен способ управления противообледенительной системой газотурбинного двигателя (US 9683489, 2017), в котором противообледенительная система газотурбинного двигателя включает один или несколько источников горячего воздуха, один или несколько датчиков обледенения, наружной температуры и высоты полета, а также регулирующее устройство. В регулирующее устройство поступают сигналы от одного или нескольких датчиков, после чего обеспечивают подвод горячего воздуха в то или иное место в двигателе в зависимости от показаний датчиков. К недостаткам данного способа относится низкая надежность показаний датчиков, работа которых в условиях обледенения может нарушаться за счет образующегося на них льда, что приводит к искажению передаваемых ими данных и может не обеспечить необходимый подвод горячего воздуха в место образования льда в конструкции двигателя, а также ошибочно направить избыточное количество горячего воздуха в те элементы конструкции, которые на данном режиме не подвергались обледенению.

Известен способ управления противообледенительной системой воздухозаборника газотурбинного двигателя (RU 2666886, 2018), заключающийся в получении данных о наружных условиях полета с помощью специальных датчиков, фиксирующих условия обледенения, которые взаимодействуют с самолетной и двигательной системами, обеспечивающими подачу горячего воздуха ко всем возможным местам обледенения.

Недостатком известного технического решения является то обстоятельство, что подача отбираемого из компрессора высокого давления горячего воздуха осуществляется одновременно ко всем элементам конструкции двигателя, которые могут быть подвержены обледенению, без предварительного определения конкретного места обледенения. Это приводит к снижению эффективности работы двигателя за счет нерационально увеличенного отбора рабочего тела (горячего воздуха).

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является способ управления противообледенительной системой турбореактивного двухконтурного двигателя, заключающийся в том, что в полете при помощи установленного на входе двигателя датчика измеряют наружные параметры условий полета, по изменению которых формируют сигнал на срабатывание регулирующего устройства, которое открывает канал, по которому осуществляют отбор горячего воздуха из компрессора высокого давления и его поступление на все элементы конструкции, подверженные возможному обледенению, при этом сама подача горячего воздуха осуществляется в пульсирующем режиме (US 4831819, 1989).

Недостатком известного технического решения является то, что несмотря на подачу горячего воздуха в пульсирующем режиме на элементы конструкции, подверженные обледенению, эта подача осуществляется ко всем возможным местам обледенения одновременно, что требует необоснованно повышенного расхода отбираемого воздуха и приводит к неэффективному использованию рабочего тела (горячего воздуха) и как следствие к снижению тяги двигателя и его экономичности.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в устранении указанного выше недостатка и в расширении арсенала технических средств, а именно в создании способа управления противообледенительной системой турбореактивного двухконтурного двигателя.

Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением, заключается в реализации его назначения, т.е. в создании способа управления противообледенительной системой турбореактивного двухконтурного двигателя, обеспечивающего повышение эффективности работы двигателя за счет уменьшения количества отбираемого рабочего тела (горячего воздуха).

Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа управления противообледенительной системой турбореактивного двухконтурного двигателя в полете при помощи установленного на входе двигателя датчика измеряют наружные параметры условий полета, по изменению которых формируют сигналы на открытие заслонки коллектора для отбора горячего воздуха из компрессора высокого давления и на датчики измерения частоты вращения ротора вентилятора и частоты вращения ротора газогенератора, определяют отношение частот вращения и вычисляют величину скольжения роторов, по изменению которой судят о характере и месте обледенения, затем формируют сигнал на электронный блок управления регулирующим устройством, которое по соответствующему каналу направляет поток горячего воздуха к определенному месту обледенения.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как только совокупность существенных признаков, характеризующих изобретение, позволяет создать способ управления противообледенительной системой турбореактивного двухконтурного двигателя, обеспечивающего повышение эффективности работы двигателя за счет уменьшения количества отбираемого рабочего тела (горячего воздуха).

Предлагаемое техническое решение основано на том, что при обледенении входных элементов вентилятора или входных элементов газогенератора происходит существенное ухудшение режимов работы обледеневшего узла, что приводит к заметному снижению его эффективности и, в конечном итоге, частоты его вращения. В связи с этим по изменению величины скольжения роторов (см. Теория двухконтурных турбореактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко и В.А. Сосунова - Москва: Машиностроение, 1979), то есть по изменению отношения частоты вращения газогенератора (n_гг) и частоты вращения вентилятора (n_в)

n_гг/n_в

можно судить о месте обледенения в проточной части двигателя. Так, увеличение величины скольжения роторов говорит об обледенении входных элементов вентилятора, а уменьшение - свидетельствует об обледенении входных элементов газогенератора.

Настоящее изобретение поясняется подробным описанием способа управления противообледенительной системой турбореактивного двухконтурного двигателя со ссылкой на фигуры 1-4, где

на фиг. 1 схематично представлен ТРДД и противообледенительная система;

на фиг. 2 приведен график зависимости снижения удельного расхода топлива от величины снижения расхода отбираемого горячего воздуха;

на фиг. 3 приведен график зависимости снижения уровня температуры газа перед турбиной от величины снижения расхода отбираемого горячего воздуха;

на фиг. 4 приведен график повышения тяги двигателя от величины снижения расхода отбираемого горячего воздуха.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:

1 - ТРДД;

2 - вентилятор;

3 - газогенератор;

4 - турбина вентилятора 2;

5 - выходное устройство;

6 - противообледенительная система;

7 - коллектор;

8 - заслонка;

9 - регулирующее устройство;

10 - электронный блок управления регулирующим устройством 9;

11 - трубопровод;

12 - канал подвода горячего воздуха к вентилятору 2;

13 - канал подвода горячего воздуха к газогенератору 3;

14 - датчик обледенения;

15 - датчик измерения частоты вращения ротора вентилятора 2;

16 - датчик измерения частоты вращения ротора газогенератора 3;

17 - блок вычисления величины скольжения роторов;

18 - блок определения изменения величины скольжения роторов.

На фиг. 1 представлена схема ТРДД 1, включающего вентилятор 2, газогенератор 3, турбину 4 вентилятора 2 и выходное устройство 5, противообледенительную систему 6, состоящую из коллектора 7 для отбора горячего воздуха из компрессора высокого давления (КВД) газогенератора 3, заслонки 8, регулирующего устройства 9, электронного блока 10 управления регулирующим устройством 9, трубопровода 11 подвода горячего воздуха от коллектора 7 до регулирующего устройства 9, канала 12 подвода горячего воздуха от регулирующего устройства 9 к входным элементам вентилятора 2, канала 13 подвода горячего воздуха от регулирующего устройства 9 к элементам на входе в газогенератор 3, датчика 14 обледенения, установленного на входе двигателя 1, а также датчика 15 измерения частоты вращения ротора вентилятора 2 и датчика 16 измерения частоты вращения ротора газогенератора 3, блока 17 вычисления величины скольжения роторов и блока 18 определения изменения величины скольжения роторов во времени, соединенного с электронным блоком 10 управления регулирующим устройством 9.

Способ управления противообледенительной системой 6 турбореактивного двухконтурного двигателя 1 реализуется следующим образом. В полете при помощи установленного на входе двигателя 1 датчика 14 измеряют наружные параметры условий полета. Датчик 14 регистрирует наличие в атмосферном воздухе вероятных условий для обледенения (низкая температура атмосферного воздуха, наличие переохлажденных капель или кристаллов льда). По изменению наружных параметров условий полета формируют сигналы на открытие заслонки 8 коллектора 7 для отбора горячего воздуха из КВД газогенератора 3 и на датчики 15 и 16. Открытие заслонки 8 коллектора 7 обеспечивает подвод горячего воздуха из КВД газогенератора 3 по трубопроводу 11 в регулирующее устройство 9. С помощью датчиков 15 и 16 измеряют частоту вращения ротора вентилятора 2 (n_в) и частоту вращения ротора газогенератора 3 (n_гг) соответственно. Сигналы от датчиков 15 и 16 поступают в блок 17 вычисления величины скольжения роторов, где определяют отношение частот вращения и вычисляют величину скольжения роторов

n_гг/n_в.

Сигнал от блока 17 поступает в блок 18 определения изменения величины скольжения роторов. По изменению величины скольжения роторов во времени судят о характере и месте обледенения. Затем от блока 18 формируют сигнал на электронный блок 10 управления регулирующим устройством 9, которое по соответствующему каналу направляет поток горячего воздуха к определенному месту обледенения.

В зависимости от сигнала блока 10 управления, связанного с изменением величины скольжения роторов, горячий воздух направляется регулирующим устройством 9 в канал 12 подачи горячего воздуха к входным элементам вентилятора 2 или в канал 13 подачи воздуха к элементам на входе в газогенератор 3. Так, при уменьшении величины скольжения роторов блок 10 управления подает регулирующему устройству 9 сигнал на подачу горячего воздуха по каналу 13, а при увеличении - по каналу 12. Таким образом, горячий воздух в необходимом количестве поступает именно к тому элементу конструкции, которое подвержено обледенению при данных условиях работы, обеспечивая тем самым работоспособность двигателя при всех видах обледенения его проточной части.

Предлагаемый способ управления противообледенительной системой ТРДД в случае обледенения одного из двух возможных мест проточной части двигателя, представляющих входную часть двигателя, включая вентилятор, или входную часть газогенератора, позволяет определить место образования льда и обеспечить подвод к нему горячего воздуха, при отключении подвода горячего воздуха к другим элементам проточного тракта, не подверженным на данном режиме обледенению, уменьшить суммарный отбор воздуха из проточного тракта двигателя и тем самым повысить эффективность его работы.

Расчетные оценки, проведенные для ТРДД типа ПД-14, показали, что в условиях обледенения при уменьшении величины скольжения роторов горячий воздух следует подавать только на входные элементы газогенератора и не подавать его на входные элементы вентилятора. Это позволит уменьшить отбираемый из КВД расход горячего воздуха приблизительно на 1-1,2%, что, в свою очередь, позволит на режиме крейсерского полета (при сохранении необходимого уровня тяги) повысить экономичность двигателя на 1,2-1,5%, снизить температуру газа перед турбиной приблизительно на 20-25 К, а на максимальном режиме разгона и набора высоты при сохранении на прежнем уровне температуры газа перед турбиной повысить тягу двигателя приблизительно на 2,5-3%.

При увеличении величины скольжения роторов в условиях обледенения горячий воздух следует подавать только на входные элементы вентилятора и не подавать его на входные элементы газогенератора. Это позволит уменьшить отбираемый из КВД расход горячего воздуха приблизительно на 0,5-0,6%, что, в свою очередь, позволит на режиме крейсерского полета (при сохранении необходимого уровня тяги) повысить экономичность двигателя на 0,6-0,75%, снизить температуру газа перед турбиной приблизительно на 10-12 К, а на максимальном режиме разгона и набора высоты при сохранении на прежнем уровне температуры газа перед турбиной повысить тягу двигателя приблизительно на 1,25-1,5%.

На фиг. 2-4 для ТРДД типа ПД-14 приведены графики зависимости снижения удельного расхода топлива (δCr) и уровня температуры газа перед турбиной на крейсерском режиме при постоянном уровне тяги

(R=const)

и повышения тяги двигателя (δR) на режимах набора высоты

(при условии )

от величины снижения расхода (δG_отб) отбираемого из проточного тракта компрессора горячего воздуха.

Таким образом, техническое решение обеспечивает повышение эффективности работы двигателя путем уменьшения расхода горячего воздуха, отбираемого из проточной части двигателя и используемого противообледенительной системой в конкретном месте обледенения, при безусловном обеспечении работоспособности двигателя при всех видах обледенения его проточной части.