RU2374498C1

RU2374498C1 - Anti-surge device for gas turbine engine compressor

Info

Publication number: RU2374498C1
Application number: RU2008108313/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Матвеевич Гусев (RU); Юрий Матвеевич Гусев; Юрий Мавлютович Ахметов (RU); Юрий Мавлютович Ахметов; Светлана Талгатовна Рахманова (RU); Светлана Талгатовна Рахманова; Морис Масгутович Шакирьянов (RU); Морис Масгутович Шакирьянов
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2009-11-27
Also published as: RU2008108313A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention is intended for protecting aircraft gas turbine engines against compressor surges. Proposed device comprises pickup of air pressure P₂behind compressor, compressor inlet air pressure P₁ pickup, pickup of compressor inlet air temperature T₁, first divider, first threshold device additionally incorporating multiplier and second divider connected in series with the latter. It comprises also second integrator, second threshold device and logical device OR, its second input being connected with first threshold device output. It incorporates also first integrator with its output connected with input of first threshold device and its input connected with output of first divider. Input of the latter is connected with output of pickup of air pressure P₂behind compressor. Second output of the latter pickup is connected with second input of multiplier. Second input of the latter is connected with compressor inlet air pressure P₁ pickup output. Note that output of pickup of compressor inlet air temperature T₁ is connected with second input of second divider. Note also that signals K₂ describing type of critical conditions are connected to inputs first and second dividers.

EFFECT: higher validity and accuracy of surge detection.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области выявления и предотвращения помпажа компрессора в газотурбинных двигателях (ГТД) и может быть применено в системах управления авиационными ГТД.The invention relates to the field of detecting and preventing surging of a compressor in gas turbine engines (GTE) and can be applied in aircraft GTE control systems.

Известно устройство (Хоэлл А.Р., Калверт В.К. Новый метод оценки характеристик осевого компрессора по характеристикам его ступеней. Энергетические машины и установки, 1978. Т.100-М4 - Изд-во «Мир» - с.240-247), контролирующее устойчивую работу компрессорного агрегата с помощью датчиков давления на входе и выходе из компрессора, подключенных к блоку вычисления степени сжатия, датчиков оборотов и температуры воздуха на входе в компрессор, присоединенных к формирователю приведенной скорости, блока воспроизведения расходной газодинамической характеристики и электронно-лучевого индикатора.A device is known (Hoell A.R., Calvert V.K. A new method for evaluating the characteristics of an axial compressor by the characteristics of its stages. Power Machines and Installations, 1978. T.100-M4 - Publishing House "Mir" - p.240-247 ), which controls the stable operation of the compressor unit using pressure sensors at the inlet and outlet of the compressor, connected to the unit for calculating the degree of compression, speed sensors and air temperature at the inlet of the compressor, connected to the reduced speed former, and a reproducing gas-dynamic flow reproducing unit Istics and cathode ray indicator.

Недостатком устройства является низкие достоверность и точность распознавания помпажа, обусловленные отсутствием контроля комплекса параметров двигателя, наиболее достоверно характеризующих границу его газодинамической устойчивости.The disadvantage of this device is the low reliability and accuracy of recognition of surging, due to the lack of control of a set of engine parameters that most reliably characterize the boundary of its gas-dynamic stability.

Известны методы и устройства (Шакирьянов М.М. Решающая таблица по устранению различных видов газодинамической неустойчивости в системах, содержащих лопаточные машины. Изд. Вузов «Авиационная техника», №1, 2000, с.80), контролирующие газодинамическое состояние ГТД с помощью комплекса его параметров. Однако они не проводят контроль функции риска комплекса параметров двигателя.Known methods and devices (Shakiryanov M. M. Decisive table on the elimination of various types of gas-dynamic instability in systems containing vanes. Publishing House of Universities "Aviation equipment", No. 1, 2000, p. 80), controlling the gas-dynamic state of a gas turbine engine using a complex its parameters. However, they do not control the risk function of the engine parameter complex.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, являются способ и устройство (Шакирьянов М.М. Решающая таблица по устранению различных видов газодинамической неустойчивости в системах, содержащих лопаточные машины. Изв. Вузов «Авиационная техника», №1, 2000, с.80) защиты турбокомпрессора от помпажа. В этом изобретении вычисляется адиабатический к.п.д. компрессора при известных параметрах: давления воздуха за компрессором и на его входе, температуры воздуха за компрессором и на его входе, и далее он сравнивается с соответствующим порогом. Устройство реализации содержит датчики давления воздуха за компрессором и на его входе, датчики температуры воздуха за компрессором и на его входе, два делительных устройства, а также блоки сравнения и пороговое устройство.The closest technical solution adopted for the prototype is the method and device (Shakiryanov M.M. Decisive table on the elimination of various types of gas-dynamic instability in systems containing vanes. Izv. Universities "Aviation equipment", No. 1, 2000, p.80 ) protection of the turbocharger from surge. In this invention, the adiabatic efficiency is calculated. compressor with known parameters: air pressure behind the compressor and at its inlet, air temperature behind the compressor and at its inlet, and then it is compared with the corresponding threshold. The implementation device comprises air pressure sensors behind the compressor and at its inlet, air temperature sensors behind the compressor and at its inlet, two dividing devices, as well as comparison units and a threshold device.

Недостатком способа и устройства является низкие достоверность и точность распознавания помпажа, обусловленные отсутствием контроля функции риска комплекса параметров двигателя.The disadvantage of this method and device is the low reliability and accuracy of recognition of surging due to the lack of control of the risk function of a complex of engine parameters.

Задачей изобретения является повышение достоверности и точности распознавания помпажа компрессора ГТД.The objective of the invention is to increase the reliability and accuracy of recognition surging compressor GTE.

Поставленная задача достигается устройством, содержащим датчик давления воздуха за компрессором Р₂, датчик давления воздуха на входе в компрессор Р₁, датчик температуры воздуха на входе в компрессор Т₁, первое делительное устройство, первое пороговое устройство, в которое дополнительно введены множительное устройство и последовательно соединенные с ним второе делительное устройство, второй интегратор, второе пороговое устройство и схема «ИЛИ», другой вход которой связан с выходом первого порогового устройства, а также первый интегратор, выход которого связан со входом первого порогового устройства, а вход - с выходом первого делительного устройства, вход которого связан с выходом датчика давления воздуха за компрессором Р₂, причем второй выход датчика давления воздуха за компрессором Р₂, связан со вторым входом множительного устройства, другой вход которого связан с выходом датчика давления воздуха на входе в компрессор P₁, причем выход датчика температуры воздуха на входе в компрессор T₁ связан со вторым входом второго делительного устройства, причем на входы первого и второго делительного устройства подключены сигналы К₂, характеризующие класс критических ситуаций.The task is achieved by a device containing an air pressure sensor behind the compressor P ₂ , an air pressure sensor at the inlet to the compressor P ₁ , an air temperature sensor at the inlet to the compressor T ₁ , the first dividing device, the first threshold device, into which the multiplier is additionally inserted and sequentially the second dividing device connected to it, the second integrator, the second threshold device and the OR circuit, the other input of which is connected to the output of the first threshold device, as well as the first integr an ator, the output of which is connected to the input of the first threshold device, and the input - to the output of the first dividing device, the input of which is connected to the output of the air pressure sensor behind compressor P ₂ , and the second output of the air pressure sensor behind compressor P ₂ , is connected to the second input of the multiplier , the other input of which is connected to the output air pressure sensor at the inlet of the compressor P _1, wherein the air temperature sensor output into the compressor T ₁ is connected to a second input of the second divider, wherein the inputs ne first- and second-divider connected signals K _2, which characterize the class of critical situations.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема устройства. Устройство содержит: датчик 1 давления воздуха Р₂ за компрессором, датчик 2 давления воздуха P₁ на входе в компрессор, датчик 3 температуры воздуха T₁ на входе в компрессор, множительное устройство 4, первое делительное устройство 5, второе делительное устройство 6, первый интегратор 7, второй интегратор 8, первое пороговое устройство 9, второе пороговое устройство 10, схему «ИЛИ» 11. Принцип работы устройства заключается в следующем. Множительное устройство 4 формирует произведение значений сигналов, поступающих с выходов датчиков давления воздуха за компрессором Р₂ 1 и давления воздуха на входе в компрессор P₂ 2. На выходе второго делительного устройства 6 формируется сигнал с учетом сигналов, поступающих с выхода множительного устройства 4 и датчика температуры воздуха на входе в компрессор T₁ 3. Первое делительное устройство 5 формирует f(x)/K₂ с сигналов, поступающих с выхода датчика давления воздуха за компрессором P₂ 1 и коэффициента К₂. Первый интегратор 7 интегрирует значения сигналов, поступающих с выхода первого делительного устройства 5. Второй интегратор 8 интегрирует значения сигналов, поступающих со второго делительного устройства 6. Далее в первом пороговом устройстве 9 и втором пороговом устройстве 10 производится сравнение значений сигналов, поступающих с выходов первого интегратора 7 и второго интегратора 8, соответственно, с данными пороговыми значениями, при превышении которых далее сигналы поступают на вход схемы «ИЛИ» 11 (это означает появление помпажных колебаний, помпажного срыва или вращающегося срыва).The invention is illustrated in the drawing, which shows a block diagram of a device. The device comprises: air pressure sensor 1 P ₂ behind the compressor, air pressure sensor 2 P ₁ at the compressor inlet, air temperature sensor 3 T ₁ at the compressor inlet, multiplier 4, first divider 5, second divider 6, first integrator 7, the second integrator 8, the first threshold device 9, the second threshold device 10, the circuit "OR" 11. The principle of operation of the device is as follows. The multiplying device 4 generates the product of the values of the signals coming from the outputs of the air pressure sensors behind the compressor P ₂ 1 and the air pressure at the inlet to the compressor P ₂ 2. At the output of the second dividing device 6, a signal is generated taking into account the signals coming from the output of the multiplying device 4 and the sensor the air temperature at the inlet to the compressor T ₁ 3. The first dividing device 5 generates f (x) / K ₂ from the signals coming from the output of the air pressure sensor behind the compressor P ₂ 1 and the coefficient K ₂ . The first integrator 7 integrates the values of the signals coming from the output of the first dividing device 5. The second integrator 8 integrates the values of the signals coming from the second dividing device 6. Then, in the first threshold device 9 and the second threshold device 10, the values of the signals coming from the outputs of the first integrator are compared 7 and the second integrator 8, respectively, with these threshold values, above which the signals are then fed to the input of the OR circuit 11 (this means the appearance of surge swings, surge stall or rotating stall).

С выхода схемы «ИЛИ» 11 сигналы поступают на ИМ РО ГТД (исполнительные механизмы регулирующих органов газотурбинных двигателей - например, окно перепуска, клапан отсечки топлива и т.д.) для устранения помпажа.From the output of the "OR" circuit 11, the signals are supplied to the IM RO GTD (actuators of the regulatory bodies of gas turbine engines - for example, a bypass window, a fuel shut-off valve, etc.) to eliminate surging.

Существенные отличия данного изобретения заключаются в том, что здесь производится контроль функции риска, содержащей классы нормальных режимов и критических ситуаций, и сравнения их с соответствующими порогами, т.е. реализуется выражение

Экономически эффект заключается в том, что данное устройство позволяют повысить достоверность и точность распознавания помпажа, а значит, и надежность работы двигателей, а следовательно, обеспечивают безопасность полета летательных аппаратов.Significant differences of this invention are that the risk function containing classes of normal modes and critical situations is monitored and compared with the corresponding thresholds, i.e. expression is implemented

The economic effect is that this device allows to increase the reliability and accuracy of recognition of surge, and hence the reliability of the engines, and therefore ensure the safety of aircraft flight.

Изобретение подтверждается следующими теоретическими выкладками.The invention is confirmed by the following theoretical calculations.

Вполне приемлемым при исследовании различных зависимостей и процессов является также и применение методов теории вероятностей.The application of methods of probability theory is also quite acceptable in the study of various dependencies and processes.

Для оценки информативности и достоверности полученных критериев устойчивости с существующими (эталоном является сигнализатор помпажа с измерением давления воздуха за компрессором Р₂), можно использовать функцию риска для комплекса параметров двигателя.To assess the information content and reliability of the obtained stability criteria with existing ones (the standard is the surge indicator with air pressure measurement behind compressor P ₂ ), you can use the risk function for a set of engine parameters.

Функция риска R(x) равнаThe risk function R (x) is equal to

где К₂ - коэффициент, характеризующий класс критических ситуаций; K₁ - коэффициент, характеризующий класс нормальных режимов; х₀,…,х_n - параметр (комплекс параметров) авиационного двигателя.where K ₂ - coefficient characterizing the class of critical situations; K ₁ - coefficient characterizing the class of normal modes; x ₀ , ..., x _n - parameter (set of parameters) of the aircraft engine.

В более упрощенной форме R(x) выглядит такIn a more simplified form, R (x) looks like this

m₁, m₂ - математическое ожидание при нормальном и критическом режимах, соответственно; σ₁, σ₂ - дисперсия при нормальном и критическом режимах, соответственно; х₀ - (m₁+m₂)/2 - порог.m ₁ , m ₂ - mathematical expectation in normal and critical modes, respectively; σ ₁ , σ ₂ - dispersion under normal and critical conditions, respectively; x ₀ - (m ₁ + m ₂ ) / 2 - threshold.

Обоснование технического эффекта.Justification of the technical effect.

При наступлении помпажных явлений происходит резкое понижение давления воздуха по тракту компрессора и повышение температуры воздуха по всему газовоздушному тракту двигателя. Поэтому все критерии устойчивости (1), (2), (3), (4) резко падают, а данное устройство позволяет быстрее фиксировать резкие уменьшения этих критериев. Вследствие этого происходит резкое повышение надежности распознавания, а значит, и ликвидации помпажа, следовательно, увеличивается безопасность полетов.With the onset of surge phenomena, there is a sharp decrease in air pressure along the compressor path and an increase in air temperature throughout the gas-air path of the engine. Therefore, all stability criteria (1), (2), (3), (4) fall sharply, and this device allows you to quickly fix sharp decreases in these criteria. As a result of this, there is a sharp increase in the reliability of recognition, and hence the elimination of surge, therefore, flight safety increases.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить надежность распознавания за счет увеличения достоверности и точности распознавания помпажа.Thus, the proposed invention improves the reliability of recognition by increasing the reliability and accuracy of recognition of surge.

Claims

A device for protecting a gas turbine engine compressor from surging, comprising an air pressure sensor behind compressor P ₂ , an air pressure sensor at the inlet to compressor P ₁ , an air temperature sensor at the inlet to compressor T ₁ , a first dividing device, a first threshold device, characterized in that a multiplier device and a second divider device, a second integrator, a second threshold device and an OR circuit, another input of which is connected to the output of the first por ovogo device, and the first integrator, the output of which is connected to the input of the first threshold device, and input - with the output of the first divider having an input coupled to the output air pressure sensor of the compressor P _2, wherein the second output air pressure sensor of the compressor P ₂ is connected with the second input of the multiplying device, the other input of which is connected to the output of the air pressure sensor at the inlet to the compressor P ₁ , and the output of the air temperature sensor at the inlet to the compressor T ₁ is connected to the second input of the second unit, and the inputs of the first and second dividing device connected signals K ₂ characterizing the class of critical situations.