RU2052644C1

RU2052644C1 - Method and device for adjusting radial clearances in turbine of turbofan engine

Info

Publication number: RU2052644C1
Authority: RU
Inventors: Г.Г. Куликов; Ю.Г. Арьков; В.Ю. Арьков
Original assignee: Уфимский государственный авиационный технический университет
Priority date: 1991-07-03
Filing date: 1991-07-03
Publication date: 1996-01-20

Abstract

FIELD: turbofan engine engineering. SUBSTANCE: at cruise speed, the turbine is cooled by air withdrawn from the compressor. A pulse- duration test signal to switch cooling on is generated. The signal has period T and pulse time dt. The fuel rate is measured at the beginning and end of the test signal. The gradient of the fuel rate is determined. If the gradient is negative the value dt is reduced by a given value. If the gradient is positive the value dt is increased by a given value. The device has unit for switching supply of the cooling air on, unit for generating a signal to switch the cooling on, flow rate pickup, first and second facilities for sampling and storing, first and second comparators, first and second nonlinear elements, adder, multiplier, pulse-duration modulator, and generator. EFFECT: enhanced reliability. 3 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к области управления и регулирования турбовинтовых двигателей (ТВД), в частности к регулированию радиальных зазоров в турбине ТВД. The invention relates to the field of control and regulation of turboprop engines (TVD), in particular, to the regulation of radial clearances in a turbine of a turbine engine.

Известен способ регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД [1] путем осевого перемещения статора двигателя. Операции данного способа реализованы в устройстве регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД, содержащем коническую проставку, пружину и пневмопривод. A known method of regulating radial clearances in a turbine turbine engine [1] by axial movement of the motor stator. The operations of this method are implemented in a device for regulating radial clearances in a turbine of a turbine engine containing a conical spacer, a spring, and a pneumatic actuator.

Недостатком указанного способа является низкое качество управления. Недостатками указанного устройства являются сложность исполнения и необходимость конической формы проточной части по периферии рабочих лопаток турбины. The disadvantage of this method is the low quality control. The disadvantages of this device are the complexity of the execution and the need for a conical shape of the flow part along the periphery of the turbine blades.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД [2] заключающийся в том, что на крейсерских режимах полета включают охлаждение корпуса турбины воздухом, отбираемым из компрессора. Операции этого способа осуществляются устройством регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД, содержащим блок включения подачи охлаждающего воздуха и блок формирования сигнала на включение охлаждения. Closest to the invention, the technical solution is a method for regulating radial clearances in a turbine of a turbine engine [2], which consists in the fact that in cruising flight modes, the turbine housing is cooled by air taken from the compressor. The operations of this method are carried out by a device for regulating radial clearances in a turbine of a turbine engine, comprising a unit for turning on the supply of cooling air and a unit for generating a signal for turning on the cooling.

Недостатком способа является то, что он рассчитан на некоторый усредненный двигатель, не учитывает индивидуальные особенности каждого экземпляра двигателя, износ и деформацию элементов проточной части ТВД по мере выработки ресурса и, следовательно, не обеспечивает полное использование положительного эффекта регулирования зазоров. Недостатком устройства является то, что оно имеет два рабочих положения: "включено" и "выключено" охлаждение корпуса турбины (так называемая двухпозиционная система регулирования радиальных зазоров), что не позволяет плавно регулировать расход охлаждающего воздуха и радиальные зазоры и максимально повысить эффективность работы двигателя. The disadvantage of this method is that it is designed for some averaged engine, does not take into account the individual characteristics of each engine instance, wear and deformation of the elements of the flow part of the theater of operations as the resource is developed and, therefore, does not fully utilize the positive effect of the clearance control. The disadvantage of this device is that it has two operating positions: “turn on” and “off” the cooling of the turbine housing (the so-called on-off radial clearance control system), which does not allow smoothly adjusting the cooling air flow and radial clearances and maximizing engine efficiency.

Целью изобретения является повышение эффективности и экономичности двигателя за счет минимизации расхода топлива. The aim of the invention is to increase the efficiency and economy of the engine by minimizing fuel consumption.

Цель достигается способом регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД, заключающемся в том, что на крейсерских режимах полета включают, а на остальных режимах выключают охлаждение корпуса турбины воздухом, отбираемым из компрессора. В отличие от прототипа дополнительно формируют пробный широтно-импульсный сигнал на включение охлаждения с периодом Т и временем импульса dt, измеряют расход топлива в начале пробного сигнала и в его конце, определяют градиент изменения расхода топлива, при отрицательном значении градиента уменьшают величину dt на заданную величину dt', а при положительном увеличивают на dt'. The goal is achieved by the method of regulating the radial clearances in the turbine of the theater, which consists in turning on and on the remaining modes turning off the cooling of the turbine housing with air taken from the compressor. In contrast to the prototype, a test pulse-width pulse signal is additionally generated to enable cooling with a period T and pulse time dt, the fuel consumption is measured at the beginning of the test signal and at its end, the gradient of the fuel consumption change is determined, and if the gradient is negative, the dt value is reduced by a predetermined value dt ', and if positive increase by dt'.

Операции этого способа осуществляются устройством регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД, содержащим блок включения подачи охлаждающего воздуха и блок формирования сигнала на включение охлаждения. В отличие от прототипа вводят датчик расхода топлива, первое и второе устройства выборки и хранения, первое и второе устройства сравнения, первый и второй нелинейные элементы, сумматор, умножитель, широтно-импульсный модулятор, генератор, причем выход датчика расхода топлива соединен с информационными входами устройств выборки и хранения, выходы которых соединены с входами первого устройства сравнения, выход которого соединен с входом первого нелинейного элемента, выход которого соединен с первым входом умножителя, на второй вход которого поступает постоянный сигнал, пропорциональный dt, выход умножителя соединен с первым информационным входом сумматора, выход которого соединен с его вторым входом и с входом второго нелинейного элемента, выход которого соединен с входом широтно-импульсного модулятора, выход широтно-импульсного модулятора соединен с вторым входом второго устройства сравнения, на первый вход которого поступает сигнал с блока формирования сигнала на включение охлаждения, выход второго устройства сравнения соединен с входом блока включения подачи охлаждающего воздуха, выход генератора соединен с входами синхронизации первого и второго устройств выборки и хранения, сумматора и широтно-импульсного модулятора. The operations of this method are carried out by a device for regulating radial clearances in a turbine of a turbine engine, comprising a unit for turning on the supply of cooling air and a unit for generating a signal for turning on the cooling. In contrast to the prototype, a fuel consumption sensor, first and second sampling and storage devices, first and second comparison devices, first and second nonlinear elements, an adder, a multiplier, a pulse-width modulator, a generator are introduced, and the output of the fuel consumption sensor is connected to the information inputs of the devices samples and storage, the outputs of which are connected to the inputs of the first comparison device, the output of which is connected to the input of the first nonlinear element, the output of which is connected to the first input of the multiplier, to the second input which a constant signal proportional to dt is received, the output of the multiplier is connected to the first information input of the adder, the output of which is connected to its second input and to the input of the second nonlinear element, the output of which is connected to the input of the pulse-width modulator, the output of the pulse-width modulator is connected to the second input the second comparison device, the first input of which receives a signal from the signal conditioning unit to turn on the cooling, the output of the second comparison device is connected to the input of the cooling supply enable unit waiting air, the generator output is connected to the synchronization inputs of the first and second sampling and storage devices, an adder and a pulse-width modulator.

Суть заявляемого способа заключается в следующем. The essence of the proposed method is as follows.

На крейсерских режимах полета включают, а на остальных режимах выключают охлаждение корпуса турбины воздухом, отбираемым из компрессора, формируют пробный широтно-импульсный сигнал на включение охлаждения с периодом Т и временем импульса dt, измеряют расход топлива в начале пробного сигнала и в его конце, определяют градиент изменения расхода топлива, при отрицательном значении градиента уменьшают величину dt на заданную величину dt', а при положительном увеличивают на dt'. Изменение времени импульса управляющего сигнала вызывает изменение расхода охлаждающего воздуха и, следовательно, изменение величины радиальных зазоров в турбине. В результате достигается минимальное значение расхода топлива. In cruise flight modes, turn on, and in other modes turn off the cooling of the turbine housing with air taken from the compressor, generate a pulse-width test signal to turn on the cooling with a period T and pulse time dt, measure the fuel consumption at the beginning of the test signal and at its end, determine the gradient of the change in fuel consumption, with a negative value of the gradient, the value of dt is reduced by a predetermined value of dt ', and with a positive value, it is increased by dt'. A change in the pulse time of the control signal causes a change in the flow rate of cooling air and, consequently, a change in the magnitude of the radial clearances in the turbine. The result is a minimum fuel consumption.

Известные способы регулирования радиальных зазоров направлены на достижение минимальной величины радиальных зазоров. Однако, как показывают расчеты, минимальная величина радиальных зазоров не обеспечивает минимальный расход топлива. Минимальный расход топлива достигается при некоторой неизвестной заранее оптимальной величине радиальных зазоров. Поэтому для определения оптимального управляющего воздействия используется алгоритм поиска с подачей пробного сигнала. Таким образом, введение дополнительных операций в известный способ позволяет повысить эффективность и экономичность двигателя за счет минимизации расхода топлива. Эти технические свойства являются новыми по сравнению с известными техническими решениями и, следовательно, обуславливают соответствие заявляемого технического решения критерию "существенные отличия". Known methods for regulating radial clearances are aimed at achieving a minimum value of radial clearances. However, calculations show that the minimum radial clearance does not provide the minimum fuel consumption. The minimum fuel consumption is achieved with a certain unknown optimum radial clearance value. Therefore, to determine the optimal control action, a search algorithm with a test signal is used. Thus, the introduction of additional operations in a known method can improve the efficiency and economy of the engine by minimizing fuel consumption. These technical properties are new in comparison with the known technical solutions and, therefore, determine the conformity of the claimed technical solution to the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего операции способа; на фиг. 2 представлены временные диаграммы работы предложенного устройства; на фиг. 3 представлена характеристика первого нелинейного элемента; на фиг. 4 характеристика второго нелинейного элемента; на фиг. 5 структурная схема сумматора; на фиг. 6 представлены временные диаграммы работы сумматора; на фиг. 7 представлена зависимость относительного изменения КПД компрессора от относительной величины радиального зазора; на фиг. 8 зависимость коэффициента влияния относительной величины радиального зазора на относительное изменение КПД компрессора от относительной величины радиального зазора; на фиг. 9 представлены зависимости коэффициента влияния относительного изменения расхода охлаждающего воздуха на относительное изменение КПД турбины от коэффициента влияния относительной величины радиального зазора на относительное изменение КПД турбины при различных отношениях относительной величины радиального зазора к относительному изменению расхода охлаждающего воздуха; на фиг. 10 представлены зависимости суммарного относительного измения расхода топлива к относительной величине радиального зазора при различных значениях отношения относительной величины радиального зазора к относительному изменению расхода охлаждающего воздуха; на фиг. 11 зависимости суммарного относительного изменения расхода топлива от суммарного относительного изменения расхода охлаждающего воздуха при различных значениях отношения относительной величины радиального зазора к относительному изменению расхода охлаждающего воздуха. In FIG. 1 shows a structural diagram of a device that implements the operation of the method; in FIG. 2 presents time diagrams of the operation of the proposed device; in FIG. 3 shows a characteristic of a first non-linear element; in FIG. 4 characteristic of the second nonlinear element; in FIG. 5 block diagram of the adder; in FIG. 6 shows time diagrams of the operation of the adder; in FIG. 7 shows the dependence of the relative change in compressor efficiency on the relative value of the radial clearance; in FIG. 8 the dependence of the coefficient of influence of the relative value of the radial clearance on the relative change in the efficiency of the compressor from the relative value of the radial clearance; in FIG. Figure 9 shows the dependences of the coefficient of influence of the relative change in the flow rate of cooling air on the relative change in the efficiency of the turbine on the coefficient of influence of the relative value of the radial clearance on the relative change in the efficiency of the turbine for various ratios of the relative value of the radial clearance to the relative change in the flow rate of cooling air; in FIG. 10 shows the dependences of the total relative change in fuel consumption to the relative value of the radial clearance for various values of the ratio of the relative value of the radial clearance to the relative change in the flow rate of cooling air; in FIG. 11 shows the dependence of the total relative change in fuel consumption on the total relative change in the flow rate of cooling air at various values of the ratio of the relative value of the radial clearance to the relative change in the flow rate of cooling air.

Операции способа могут быть реализованы устройством регулирования радиальных зазоров в турбине ТВД (фиг. 1), содержащим датчик 1 расхода топлива, устройство 2 и 3 выборки и хранения, устройство 4 сравнения, генератор 5, нелинейный элемент 6, умножитель 7, сумматор 8, нелинейный элемент 9, широтно-импульсный модулятор 10, устройство 11 сравнения, блок 12 формирования сигнала на включение охлаждения, блок 13 включения подачи охлаждающего воздуха (исполнительный механизм. Выход датчика 1 расхода топлива соединен с информационными входами устройств 2 и 3 выборки и хранения, выходы которых соединены с входами первого устройства 4 сравнения. Выход последнего соединен с входом первого нелинейного элемента 6, выход которого соединен с первым входом умножителя 7. На второй вход умножителя поступает постоянный сигнал, пропорциональный dt'. Выход умножителя соединен с первым информационным входом сумматора 8, выход которого соединен с его вторым входом и с входом второго нелинейного элемента 9, выход которого соединен с входом широтно-импульсного модулятора 10. Выход широтно-импульсного модулятора соединен с вторым входом второго устройства 11 сравнения, на первый вход которого поступает сигнал с блока 12 формирования сигнала на включение охлаждения. Выход второго устройства сравнения соединен с входом блока 13 включения подачи охлаждающего воздуха. Выход генератора 5 соединен с входами синхронизации первого и второго устройств выборки и хранения, сумматора и широтно-импульсного модулятора. The operations of the method can be implemented by a device for regulating radial gaps in a turbine of a turbine engine (Fig. 1), comprising a fuel consumption sensor 1, a sampling and storage device 2 and 3, a comparison device 4, a generator 5, a nonlinear element 6, a multiplier 7, an adder 8, nonlinear element 9, a pulse-width modulator 10, a comparison device 11, a signal conditioning unit 12 for turning on the cooling, a block for turning on the cooling air supply (actuator. The output of the fuel consumption sensor 1 is connected to the information inputs of devices 2 and 3 samples and storage, the outputs of which are connected to the inputs of the first comparison device 4. The output of the latter is connected to the input of the first nonlinear element 6, the output of which is connected to the first input of the multiplier 7. A constant signal proportional to dt 'is received at the second input of the multiplier. the information input of the adder 8, the output of which is connected to its second input and to the input of the second nonlinear element 9, the output of which is connected to the input of the pulse-width modulator 10. The output of the pulse-width modulator connected to the second input of the second comparison device 11, the first input of which receives a signal from the signal generation unit 12 to enable cooling. The output of the second comparison device is connected to the input of the cooling air supply unit 13. The output of the generator 5 is connected to the synchronization inputs of the first and second sampling and storage devices, an adder and a pulse-width modulator.

Сумматор 8 (фиг. 5) устройства содержит устройства 14 и 15 выборки и хранения, инвертор 16, сумматор 17, устройство 18 выборки и хранения. Первый и второй информационные входы сумматора соединены с информационными входами устройств 14 и 15, входы синхронизации которых соединены с входом синхронизации сумматора 8. Выходы устройств 14 и 15 соединены с входом сумматора 17, выход которого соединен с информационным входом устройства 18, выход которого является выходом сумматора 8. Вход инвертора 16 соединен с входом синхронизации сумматора 8, а выход с входом синхронизации устройства 18. The adder 8 (Fig. 5) of the device comprises a sampling and storage device 14 and 15, an inverter 16, an adder 17, a sampling and storage device 18. The first and second information inputs of the adder are connected to the information inputs of the devices 14 and 15, the synchronization inputs of which are connected to the synchronization input of the adder 8. The outputs of the devices 14 and 15 are connected to the input of the adder 17, the output of which is connected to the information input of the device 18, the output of which is the output of the adder 8. The input of the inverter 16 is connected to the synchronization input of the adder 8, and the output to the synchronization input of the device 18.

Способ реализуют следующим образом. The method is implemented as follows.

На режиме "крейсерский полет" блок 12 формирует сигнал на включение охлаждения U_охл. По этому сигналу в момент времени t_i устройство 2 выборки и хранения запоминает текущее значение расхода топлива G_тi, затем широтно-импульсный модулятор 10 вырабатывает широтно- импульсную посылку с длительностью цикла Т и временем импульса dt. В момент времени t_i+1=t_i+T устройство 3 выборки и хранения запоминает значение расхода топлива G_тi+1 и, если величина dG_т превышает dG_т, определяется знак dG_т в элементе 6 в соответствии с фиг. 2. На выходе умножителя 7 приращение времени импульса dt' получает знак в зависимости от изменения G_т. Сумматор 8 складывает полученное dt' с текущим значением dt: dt_i+1=dt_i+dt'. Это значение ограничивается нелинейным элементом 9, в соответствии с выходным сигналом которого широтно-импульсный модулятор вырабатывает широтно-импульсную посылку с временем импульса dt_i+1. Полученный сигнал коррекции U_к вычитают из сигнала U_охл с блока 12 в устройстве 11 сравнения и полученное U_упр подают на управление блоком 13, регулирующим подачу воздуха на охлаждение турбины. После этого весь цикл управления повторяется, причем в устройстве 2 запоминается G_тi+1, а в устройстве 3 G_тi+2.On the "cruising" mode, the unit 12 generates a signal to switch cooling U _OHL. According to this signal, at time t _i , the sampling and storage device 2 stores the current value of fuel consumption G _ti , then the pulse-width modulator 10 generates a pulse-width _transmission with a cycle time T and pulse time dt. At time t _{i + 1} = t _i + T, the sampling and storage device 3 stores the fuel consumption value G _{ti + 1} and, if dG _t exceeds dG _t , the sign of dG _t in element 6 is determined in accordance with FIG. 2. At the output of the multiplier 7, the increment of the pulse time dt 'receives a sign depending on the change in G _t . Adder 8 adds the resulting dt 'with the current value of dt: dt _{i + 1} = dt _i + dt'. This value is limited by the nonlinear element 9, in accordance with the output signal of which the pulse-width modulator generates a pulse-width transmission with a pulse time dt _{i + 1} . The received correction signal U _{k is} subtracted from the U _cool signal from block 12 in the comparison device 11, and the received U _{control is} supplied to the control unit 13, which regulates the air supply for cooling the turbine. After that, the entire control cycle is repeated, and G _{ty + 1 is} stored in the device 2, and G _{Ti + 2} in the device 3.

Сумматор работает следующим образом. The adder operates as follows.

В момент времени t₁ с приходом синхроимпульса генератора 5 устройства 14 и 15 выборки и хранения переходят в режим хранения входных сигналов, а устройство 18 выборки и хранения в режим прямой передачи с входа на выход. С окончанием синхроимпульса устройство 18 переходит в режим хранения входного сигнала, а устройства 14 и 15 в режим прямой передачи с входа на выход. Сумматор 17 складывает выходные сигналы устройств 14 и 15, инвертор 16 инвертирует синхроимпульсы генератора 5.At time t ₁ with the arrival of the clock pulse of the generator 5, the sampling and storage devices 14 and 15 go into the storage mode of the input signals, and the sampling and storage device 18 in the direct transmission mode from input to output. With the end of the clock, the device 18 switches to the storage mode of the input signal, and devices 14 and 15 enter the direct transmission mode from input to output. The adder 17 adds the output signals of the devices 14 and 15, the inverter 16 inverts the clock pulses of the generator 5.

Таким образом, напряжение на выходе сумматора 8 в период времени t_i+1<t<t_i+1 равно сумме напряжений на его входах Вх.1 и Вх.2 в момент времени t_i+1; в период времени t_i+2 < t < t_i+3 сумме напряжений на его входах Вх.1 и Вх.2 в момент времени t_i+2 и т.д.Thus, the voltage at the output of the adder 8 during the period of time t _{i + 1} <t <t _{i + 1} is equal to the sum of the voltages at its inputs Bx.1 and Bx.2 at time t _{i + 1} ; in the time period t _{i + 2} <t <t _{i + 3, the} sum of the voltages at its inputs Bx.1 and Bx.2 at time t _{i + 2} , etc.

Использование способа регулирования радиальных зазоров на крейсерских режимах обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества. Обеспечивается наибольшая экономичность работы двигателя на крейсерских режимах полета в течение всего ресурса работы при любых условиях эксплуатации. Режим эксплуатации двигателя приближается к оптимальному, вследствие чего увеличивается его долговечность. Using the method of regulating radial clearances at cruising modes provides the following advantages compared to the prototype. The greatest efficiency of the engine at cruising flight modes is ensured during the entire service life under any operating conditions. The engine operating mode is approaching optimal, as a result of which its durability is increased.

Claims

1. The method of regulating radial clearances in a turbine of a turboprop engine by turning on cooling of the turbine housing with air taken from the compressor during cruise flight modes, characterized in that, in order to increase the efficiency and economy of the engine by minimizing fuel consumption, a pulse-width signal is generated to turn on cooling, measure the fuel consumption at the beginning of the signal and at the end, determine the gradient of the change in fuel consumption, if the gradient is negative, the pulse time is reduced by a predetermined amount, and in case of positive - is incremented by a predetermined amount.

2. A device for regulating radial clearances in a turbine of a turboprop engine, comprising a block for turning on the cooling air supply and a block for generating a signal for turning on the cooling, characterized in that, in order to increase the efficiency and economy of the engine by minimizing fuel consumption, it comprises a fuel consumption sensor, the first and a second sampling and storage device, a first and second comparison device, a first and second non-linear elements, an adder, a multiplier, a pulse width modulator and a generator, and you One of the fuel consumption sensor is connected to the information inputs of the sampling and storage devices, the outputs of which are connected to the inputs of the first comparison device, the output of the latter through the first non-linear element is connected to the first input of the multiplier, the second input of which is connected to the pulse increment generator, the output of the multiplier is connected to the first information the adder input, the output of which is connected to its second input and through the second nonlinear element and pulse-width modulator is connected to the second input of the second device with equalization, the first input of which is connected to the signal conditioning unit for turning on the cooling, the output of the second comparison device is connected to the input of the cooling air supply switching unit, and the generator outputs are connected to the synchronization inputs of the first and second sampling and storage devices, adder and pulse-width modulator.