RU174395U1

RU174395U1 - Gas turbine compressor mechanization control device

Info

Publication number: RU174395U1
Application number: RU2016143842U
Authority: RU
Inventors: Виктор Васильевич Попов; Александр Владимирович Кононыхин; Вадим Александрович Юфарев; Сергей Викторович Онацкий
Original assignee: Виктор Васильевич Попов; Александр Владимирович Кононыхин; Вадим Александрович Юфарев; Сергей Викторович Онацкий
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2017-10-11

Abstract

Полезная модель относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических и гидромеханических системах автоматического управления (САУ) ГТД. Сущность изобретения заключается в упрощении устройства управления механизацией компрессора ГТД по приведенной частоте вращения турбокомпрессора (ТК) двигателя за счет исключения датчика измерения температуры воздуха на входе в двигатель и счетно-решающего устройства формирования приведенной частоты вращения ТК двигателя в зависимости от этой температуры. Это достигается тем, что приведенная частота вращения ТК двигателя определяется как сумма частоты, найденной по расходу топлива в камеру сгорания двигателя, приведенному по давлению воздуха на входе в двигатель, на основании приведенной дроссельной характеристики двигателя, записанной на объемном (пространственном) кулачке, с величиной поправки, рассчитанной по величине рассогласования найденной частоты ТК с измеренной. Положительным эффектом изобретения является упрощение устройства управления механизацией компрессора ГТД, что приводит к его удешевлению и повышению надежности. 1 ил.The utility model relates to the field of gas turbine engine building and can be used in electronic hydromechanical and hydromechanical automatic control systems (ACS) of gas turbine engines. The essence of the invention is to simplify the control device for the mechanization of a gas turbine compressor according to the reduced frequency of rotation of a turbocharger (TC) of an engine by eliminating a sensor for measuring the temperature of the air at the engine inlet and a calculating and deciding device for generating a reduced frequency of rotation of an engine TC depending on this temperature. This is achieved by the fact that the reduced engine TC rotational speed is determined as the sum of the frequency found by the fuel consumption in the engine combustion chamber, given by the air pressure at the engine inlet, based on the reduced throttle characteristic of the engine recorded on the volumetric (spatial) cam, with the value corrections calculated by the value of the mismatch of the found TC frequency with the measured one. A positive effect of the invention is the simplification of the control device for the mechanization of a gas turbine compressor, which leads to its reduction in cost and increased reliability. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических и гидромеханических системах автоматического управления (САУ) газотурбинными двигателями (ГТД).The utility model relates to the field of aircraft engine building and can be used in electron-hydromechanical and hydromechanical automatic control systems (ACS) of gas turbine engines (GTE).

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. ]Known devices for controlling the mechanization of a gas turbine compressor by the reduced frequency of rotation of a turbocompressor (TC) and by the degree of air compression in the engine compressor [A. Shevyakov "The theory of automatic control of aircraft power plants", M., Mechanical Engineering, 1976]

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.The control device for the mechanization of a gas turbine compressor according to the reduced rotational speed of a fuel pump follows from the theory of blade machines, one of which is an axial compressor, therefore it is a priority. In this case, the relationship between the installation angle of the adjustable guide vanes of the compressor and the reduced speed of the TC linear. Such devices provide optimal flow around the axial compressor blades and high efficiency.

Однако в связи с тем, что при классическом способе формирования приведенной частоты вращения ТК необходимо измерение температуры воздуха на входе в двигатель (

), реализация такого устройства весьма затруднена, гдеHowever, due to the fact that with the classical method of forming the reduced frequency of rotation of the TC, it is necessary to measure the air temperature at the engine inlet (

), the implementation of such a device is very difficult, where

Nтк - частота вращения ТК двигателя;Ntk is the engine speed;

Nтк пр - приведенная частота вращения ТК двигателя;Ntk pr - reduced engine speed;

Tвх - температуры воздуха на входе в двигатель.Tvh - air temperature at the engine inlet.

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 частота вращения ТК, который устанавливают на коробке приводов в средней части двигателя.This is primarily due to the difficulty of transmitting information in the case of hydromechanical implementation of the device from a temperature sensor installed in the engine air intake to the compressor mechanization control device, made, as a rule, as part of the engine pump regulator due to the need to measure the TC speed, which mounted on the drive box in the middle of the engine.

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.Therefore, for example, on helicopter engines of the TV3-117 family of all modifications, there is a special air duct through which air from the air intake enters the HP-3 regulator pump mounted on the engine drive box to blow the temperature sensor. In this case, the air naturally heats up from a hot engine, which causes an error in the formation of the reduced frequency of rotation of the engine TC. Also complex is the device for generating the reduced frequency of rotation of the TC according to the previously given formula.

В настоящее время в электронно-гидромеханических САУ двигателей электронный регулятор управляет механизацией компрессора двигателя, как правило, по приведенной частоты 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=Pк/Pвх, где Pк - давление воздуха за компрессором двигателя.Currently, in electronic-hydromechanical self-propelled guns, an electronic controller controls the mechanization of the engine compressor, as a rule, according to the reduced speed of the TC, and a backup hydromechanical controller that connects to the control when the electronic controller is de-energized or refuses, controls the compressor mechanization, as a rule, according to the degree of compression air in the engine compressor π _К = Pк / Рвх, where Pк - air pressure behind the engine compressor.

Такое устройство реализуется проще, но имеет ряд недостатков по сравнению с управлением механизацией компрессора по приведенной частоты вращения ТК, связанных прежде всего с повышенной погрешностью в связи с нелинейностью зависимости π_К от Nтк 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.Such a device is simpler to implement, but has a number of drawbacks compared to controlling the compressor mechanization according to the reduced rotational speed of the TC, primarily due to the increased error due to the nonlinearity of the dependence of π _K on Ntk pr, stratification of π _K along the flight height of the aircraft and a drop of π _K when taking air from the compressor for the needs of the engine and the aircraft, while the reduced frequency of rotation of the engine TC while maintaining power increases.

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.The closest to the claimed technical solution for the purpose, technical nature and the achieved result when using is a device for mechanization of a gas turbine compressor, containing sensors of the engine turbocharger (TK) speed and air temperature at the engine inlet, a calculating device for generating the magnitude of the reduced speed of the TK and calculations according to predetermined laws, depending on the reduced frequency of rotation of the TC, of the preset positions of adjustable guide vanes (PHA) and valves air starter (CPV), measuring the actual position of the PHA and CPV mechanism comparing actual positions of PHA and CPV to preset, generator control action to drive the PHA and CPV as long as the actual position of the PHA and CPV become equal specify [see. Description of the invention to patent No. 2514463 C2 (RU) “Method for controlling the mechanization of a compressor of a gas turbine engine”, M. class. F04D 27/00]. The device described in this invention provides a consistent and seamless operation of a multi-stage gas turbine compressor and its high efficiency.

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.The disadvantage of this device is the difficulty of measuring the air temperature in the input device of the engine in the hydromechanical automatic control systems (ACS), as well as in the backup regulators of the electronic hydromechanical self-propelled guns of the gas turbine engine. This is due to the rather large volume of hydromechanical (mechanical) temperature sensors, obscuring the air flow in the input device, as well as the difficulty of bringing the signal to the hydromechanical controller.

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.The aim of the proposed technical solution is to reduce the cost and increase the reliability of the control system by forming the magnitude of the reduced speed of the TC using more accessible engine parameters.

Поставленная цель достигается тем, что, согласно заявляемого технического решения, 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 (P_O=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.This goal is achieved by the fact that, according to the claimed technical solution, an additional calculating device made in the form of a volume cam with a reduced throttle characteristic of the engine recorded on it, one of the inputs of which is connected to the fuel metering unit in the combustion chamber (COP) of the engine, the second - from the air pressure sensor at the inlet of the engine over which the fuel flow reduction to the standard atmosphere at sea level (P _O = 0,1013 M a), and output - with setpoint positions PHA and CPV, and further inserted position corrector PHA and CPV largest TC measured engine speed.

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:The calculations show that the deviation of the reduced frequency of rotation of the TC from the frequency found by the reduced throttle characteristic of the engine in terms of fuel consumption in the compressor, not shown by the temperature of the air entering the engine, is proportional to the deviation of the physical (measured) frequency of the TC from the frequency found by the reduced throttle characteristic . Therefore, we can write down the formula for determining the reduced frequency of rotation of the engine TC by the reduced throttle characteristic of the engine without measuring the air temperature at the engine inlet as follows:

Nтк пр=Nтк^дх+A(Nтк^дх-Nтк),Ntk pr = Ntk ^dx + A (Ntk ^dx -Ntk),

где Nтк^дх - частота вращения ТК двигателя, найденная по приведенной дроссельной характеристике двигателя; A - коэффициент коррекции, зависящий от характера дроссельной характеристики двигателя.where Ntk ^dx is the rotational speed of the engine TK, found from the reduced throttle characteristic of the engine; A is the correction coefficient, depending on the nature of the throttle characteristic of the engine.

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.In fig. 1 shows a diagram of a device for controlling the mechanization of an engine compressor. The device contains a volume cam 1 with the reduced throttle characteristic of the engine recorded on it, connected to the fuel metering device 2 in the engine control unit, the air pressure sensor 3 at the engine inlet, the corrector 4 and the adder 6. The corrector 4 is connected to the engine speed sensor 5 and the engine the adder 6 connected to the shaper 7 of the specified positions of the PHA and CPV, which in turn is connected to the mechanism 8 of the formation of control actions on the drives of the PHA and CPV, connected by direct and feedback to the drives 9 of the PHA and CPV.

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 P_O=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 A, 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.The device operates as follows: the volume cam 1 receives information about the fuel consumption in the compressor station from the dispenser 2, using information from the air pressure sensor 3 at the engine inlet, leads the fuel consumption to the air pressure at the engine inlet equal to P _O = 0.1013 MPa . Based on the given throttle characteristic of the engine, it determines the value of the engine TC rotational speed based on the air temperature at the engine inlet equal to 288.15K and transfers it to the corrector 4 and adder 6. Sensor 5 measures the value of the actual TC rotational speed and transfers it to the corrector 4, which subtracts from the frequency found by the given throttle characteristic of the engine, the actual rotational speed of the TC, the obtained value is multiplied by the correction coefficient A, and the result is transmitted to adder 6. Adder 6 summarizes the value the frequency received from the volumetric cam with the correction value received from the corrector, receives the true value of the reduced rotational speed of the engine TC and transmits it to the driver 7, which according to the given laws generates the specified positions of the PHA and CPV and transmits this information to the formation mechanism of 8 control actions on the PHA drives and CPV, which additionally obtains the actual values of the position of the PHA and CPV, compares them with the set, according to the size of the mismatch generates control actions on the executive furs isms for as long as the actual position of PHA and CPV will not be equal to the specified.

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.As can be seen from the presentation of the essence of the claimed technical solution, it has novelty, has an inventive step and is industrially applicable. The proposed technical solution provides the formation of the reduced frequency of rotation of the engine TC, depending on which the mechanization of the compressor is controlled, by using the reduced throttle characteristic of the engine without measuring the air temperature at the engine inlet, which reduces the cost of the device and increases its reliability.

Описанное выше устройство механизации компрессора ГТД прошло испытания в составе насоса-регулятора HP3000 на двигателе ТВ3-117 ВМА-СБМ1 В 1 серии и показало результаты, соответствующие заданным требованиям.The GTE compressor mechanization device described above was tested as part of the HP3000 regulator pump on the TV3-117 VMA-SBM1 In Series 1 engine and showed results that met the specified requirements.

Claims

A control device for the mechanization of a compressor of a gas turbine engine (GTE) containing sensors for the speed of the turbocharger (TK) of the engine and the air temperature at the inlet of the engine, a calculating device for generating the magnitude of the reduced speed of the TK and calculating according to the given laws depending on the reduced speed of the TK preset positions of adjustable guide vanes (RNA) and air bypass valves (KPV), an actual position meter of RNA and KPV, a mechanism for comparing actual position RNA and KPV with the set, the driver of the control action on the drives of the RNA and KPV until the actual positions of the RNA and KPV become equal to the set, characterized by the execution of the calculating and solving device in the form of a volumetric cam with the reduced throttle characteristic of the engine recorded on it, one from the inputs of which is connected to the fuel metering device in the combustion chamber of the engine, the second to the air pressure sensor at the inlet of the engine, the output is connected to the positioner PHA and CPV, while the device further comprises corrector of the position of PHA and CPV in terms of the measured frequency of rotation of the engine TC.