RU2812217C1

RU2812217C1 - Control method for gas turbine engine

Info

Publication number: RU2812217C1
Application number: RU2023114373A
Authority: RU
Inventors: Денис Сергеевич Легконогих; Александр Николаевич Черкасов; Тимерхан Мусагитович Хакимов; Моханнад Хусейн Алхажжи; Артем Владимирович Ильченко
Filing date: 2023-05-31
Publication date: 2024-01-25

Abstract

FIELD: gas turbine engines.

SUBSTANCE: control of gas turbine engines (GTE) used in the development of automatic control systems for GTE. The method for controlling a gas turbine engine differs from the known ones in that they additionally measure the relative humidity of the air at the inlet to the GTE, and at the outlet of the combustion chamber - emission indices of carbon monoxides and hydrocarbons, calculate the value of moisture content, as well as the required and actual values of the fuel combustion efficiency coefficient and, depending on ratios regulate fuel consumption in the combustion chamber.

EFFECT: increasing the efficiency of gas turbine engine control by maintaining the required value of the fuel combustion efficiency coefficient depending on the relative humidity and air temperature.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области управления работой газотурбинных двигателей (ГТД) и может быть использовано при разработке систем автоматического управления ГТД.The invention relates to the field of control of gas turbine engines (GTE) and can be used in the development of automatic control systems for GTE.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению является способ управления ГТД, основанный на измерении положения рычага управления двигателем (РУД), частоты вращения ротора ГТД, температуры воздуха на входе в двигатель и регулировании расхода топлива в камере сгорания (см., например, Черкасов А.Н., Грасько Т.В. Системы управления авиационных силовых установок: Учебное пособие. - Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2018, с. 89).The closest in technical essence to the claimed invention is a method of controlling a gas turbine engine, based on measuring the position of the engine control lever (EC), the rotation speed of the gas turbine engine rotor, the air temperature at the engine inlet and the regulation of fuel consumption in the combustion chamber (see, for example, Cherkasov A. N., Grasko T.V. Control systems for aviation power plants: Textbook. - Voronezh: VUNTS VVS "VVA", 2018, p. 89).

Недостатком известного способа является низкая эффективность управления, обусловленная влиянием влажности воздуха на коэффициент полноты сгорания топлива.The disadvantage of this known method is the low control efficiency due to the influence of air humidity on the fuel combustion efficiency.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности управления ГТД за счет поддержания требуемого значения коэффициента полноты сгорания топлива в зависимости от относительной влажности и температуры воздуха.The technical result of the invention is to increase the efficiency of gas turbine engine control by maintaining the required value of the fuel combustion efficiency coefficient depending on the relative humidity and air temperature.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе управления ГТД, основанном на измерении положения РУД, частоты вращения ротора ГТД, температуры воздуха на входе в двигатель и регулировании расхода топлива в камере сгорания, согласно изобретению, дополнительно измеряют относительную влажность воздуха на входе в двигатель, а на выходе камеры сгорания - индексы эмиссии монооксидов углерода (СО) и углеводородов (НС), рассчитывают значение влагосодержания, также требуемое и действительное значения коэффициента полноты сгорания топлива и в зависимости от их соотношения регулируют расход топлива в камере сгорания.This technical result is achieved by the fact that in the known method of controlling a gas turbine engine, based on measuring the throttle position, the rotation speed of the gas turbine engine rotor, the air temperature at the engine inlet and regulating fuel consumption in the combustion chamber, according to the invention, the relative humidity of the air at the engine inlet is additionally measured , and at the exit of the combustion chamber - emission indices of carbon monoxides (CO) and hydrocarbons (HC), calculate the moisture content value, as well as the required and actual values of the fuel combustion efficiency coefficient and, depending on their ratio, regulate the fuel consumption in the combustion chamber.

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно измеряют относительную влажность воздуха на входе в двигатель, а на выходе камеры сгорания - индексы эмиссии СО и НС, рассчитывают значение влагосодержания, также требуемое и действительное значения коэффициента полноты сгорания топлива и в зависимости от их соотношения регулируют расход топлива в камере сгорания.The essence of the invention lies in the fact that they additionally measure the relative humidity of the air at the inlet to the engine, and at the exit of the combustion chamber - the CO and HC emission indices, calculate the value of moisture content, as well as the required and actual values of the fuel combustion efficiency coefficient and, depending on their ratio, regulate the consumption fuel in the combustion chamber.

Известно (см., например, Абдельвахид М.Б. Методика оценки влияния климатических условий и эрозионного износа на характеристики ТРДДФ: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.07.05 / Абдельвахид Мохаммед Балла. - М., 2014, с. 27), что влияние влажности на характеристики ГТД проявляется как следствие изменения теплофизических свойств воздуха и продуктов сгорания топлива в нем. Это существенно влияет на эффективность рабочего процесса в камере сгорания, которая определяется коэффициентом полноты сгорания топлива. В свою очередь, действительное значение коэффициента полноты сгорания топлива определяется уровнем содержания индексов эмиссии СО и НС на выходе камеры сгорания, а требуемое - составом воздуха на входе в двигатель, в том числе количеством содержащейся в нем влаги.It is known (see, for example, Abdelwahid M.B. Methodology for assessing the influence of climatic conditions and erosive wear on the characteristics of turbofans: dissertation for the degree of candidate of technical sciences: 07/05/05 / Abdelwahid Mohammed Balla. - M., 2014, p. 27 ), that the influence of humidity on the characteristics of a gas turbine engine manifests itself as a consequence of changes in the thermophysical properties of air and fuel combustion products in it. This significantly affects the efficiency of the working process in the combustion chamber, which is determined by the coefficient of complete combustion of the fuel. In turn, the actual value of the fuel combustion efficiency coefficient is determined by the level of CO and HC emission indices at the exit of the combustion chamber, and the required value is determined by the composition of the air entering the engine, including the amount of moisture contained in it.

Поэтому, согласно изобретению, измеряют относительную влажность воздуха на входе в ГТД, а на выходе камеры сгорания - индексы эмиссии СО и НС. С использованием относительной влажности и температуры воздуха рассчитывают влагосодержание в воздухе, массовое содержание сухого воздуха и далее требуемое значение коэффициента полноты сгорания топлива. Действительное значение коэффициента полноты сгорания топлива рассчитывают с использованием измеренных значений индексов эмиссии СО и НС. В зависимости от соотношения требуемого и действительного значений коэффициентов полноты сгорания топлива регулируют расход топлива путем изменения его количества, подаваемого в камеру сгорания.Therefore, according to the invention, the relative air humidity at the inlet to the gas turbine engine is measured, and the CO and HC emission indices are measured at the exit of the combustion chamber. Using relative humidity and air temperature, the moisture content in the air, the mass content of dry air and then the required value of the fuel combustion efficiency coefficient are calculated. The actual value of the fuel combustion efficiency coefficient is calculated using the measured values of the CO and HC emission indices. Depending on the ratio of the required and actual values of the fuel combustion efficiency coefficients, fuel consumption is adjusted by changing its amount supplied to the combustion chamber.

Этим достигается указанный в изобретении технический результат.This achieves the technical result specified in the invention.

Способ может быть реализован, например, с помощью устройства, схема которого приведена на фигуре 1, где обозначено: 1 - датчик относительной влажности воздуха, 2 - блок расчета влагосодержания, 3 - датчик температуры воздуха, 4 - блок расчета массового содержания сухого воздуха, 5 - датчик индексов эмиссии углеводородов и монооксидов углерода на выходе из камеры сгорания, 6 - блок расчета требуемого значения коэффициента полноты сгорания топлива, 7 - блок расчета действительного значения коэффициента полноты сгорания топлива, 8 -схема сравнения, 9 - датчик положения РУД, 10 - блок управления, 11 -датчик частоты вращения ротора ГТД.The method can be implemented, for example, using a device, the diagram of which is shown in Figure 1, where it is indicated: 1 - relative air humidity sensor, 2 - moisture content calculation unit, 3 - air temperature sensor, 4 - dry air mass content calculation unit, 5 - sensor of emission indices of hydrocarbons and carbon monoxides at the exit from the combustion chamber, 6 - block for calculating the required value of the fuel combustion efficiency coefficient, 7 - block for calculating the actual value of the fuel combustion efficiency coefficient, 8 - comparison circuit, 9 - throttle position sensor, 10 - block control, 11 - gas turbine engine rotor speed sensor.

Датчики относительной влажности воздуха 1 и температуры воздуха 3 могут быть конструктивно объединены в одном устройстве и предназначены для непрерывного преобразования относительной влажности и температуры воздуха в цифровой либо аналоговый выходной сигнал напряжения или тока, могут быть реализованы в виде емкостного, резистивного или психрометрического гигрометра с термопарой, см. (https://теплоприбор.рф, дата обращения 28.03.2023 г.).Sensors for relative air humidity 1 and air temperature 3 can be structurally combined in one device and are designed to continuously convert relative humidity and air temperature into a digital or analog voltage or current output signal; they can be implemented in the form of a capacitive, resistive or psychrometric hygrometer with a thermocouple, see (https://teplopribor.rf, access date 03/28/2023).

Назначение датчика индексов эмиссии углеводородов и монооксидов углерода на выходе из камеры сгорания 5 ясно из его названия. Он может быть реализован, например, в виде газового хроматографа, который измеряет массовую концентрацию углеводородов и монооксидов углерода на выходе из камеры сгорания и по массовому расходу топлива выдает сигнал значения индексов эмиссии СО и НС, см. (https://chromatec.ru, дата обращения 28.03.2023 г.).The purpose of the sensor for emission indices of hydrocarbons and carbon monoxides at the exit from combustion chamber 5 is clear from its name. It can be implemented, for example, in the form of a gas chromatograph, which measures the mass concentration of hydrocarbons and carbon monoxides at the exit from the combustion chamber and, based on the mass fuel consumption, produces a signal of the CO and HC emission indices, see (https://chromatec.ru, access date 03/28/2023).

Блок расчета влагосодержания 2 и блок расчета массового содержания сухого воздуха 4 предназначены для расчета соответственно влагосодержания и массового содержания сухого воздуха по известной методике (см., например, Абдельвахид М.Б. Методика оценки влияния климатических условий и эрозионного износа на характеристики ТРДДФ: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.07.05 / Абдельвахид Мохаммед Балла. - М., 2014, с. 82).The moisture content calculation block 2 and the dry air mass content calculation block 4 are designed to calculate, respectively, the moisture content and the mass content of dry air using a well-known method (see, for example, Abdelwahid M.B. Methodology for assessing the influence of climatic conditions and erosive wear on the characteristics of turbofan engines: dissertation on competition for the scientific degree of candidate of technical sciences: 07/05/05 / Abdelvahid Mohammed Balla. - M., 2014, p. 82).

Блок расчета требуемого значения коэффициента полноты сгорания топлива 6 предназначен для расчета требуемого значения коэффициента полноты сгорания топлива по известной методике (см., например, Резник В.Е., Данильченко В.П., Болотин Н.Б. и др. Проектный расчет камеры сгорания авиационного ГТД: Учебное пособие. - Куйбышев: КуАИ, 1982, с. 37) и может быть реализован в виде вычислителя на базе микроконтроллера (см., например, Бродин В.Б., Калинин А.В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. М.: ЭКОМ, 2002, с. 135).The block for calculating the required value of the fuel combustion efficiency coefficient 6 is intended for calculating the required value of the fuel combustion efficiency coefficient using a well-known method (see, for example, V.E. Reznik, V.P. Danilchenko, N.B. Bolotin, etc. Design calculation of the chamber combustion of an aviation gas turbine engine: Textbook. - Kuibyshev: KuAI, 1982, p. 37) and can be implemented in the form of a computer based on a microcontroller (see, for example, Brodin V.B., Kalinin A.V. Systems on microcontrollers and LSI programmable logic. M.: EKOM, 2002, p. 135).

Блок расчета действительного значения коэффициента полноты сгорания топлива 7 предназначен для расчета действительного значения коэффициента полноты сгорания топлива по существующей методике (см., например, Григорьев А.В., Митрофанов В.А., Рудаков О.А., Саливон Н.Д. Теория камеры сгорания / под ред. О.А. Рудакова - СПб.: Наука, 2010, с. 135).The block for calculating the actual value of the fuel combustion efficiency coefficient 7 is intended for calculating the actual value of the fuel combustion efficiency coefficient using the existing methodology (see, for example, A.V. Grigoriev, V.A. Mitrofanov, O.A. Rudakov, N.D. Salivon Combustion chamber theory / edited by O. A. Rudakov - St. Petersburg: Nauka, 2010, p. 135).

Схема сравнения 8 может быть выполнена в виде компаратора (см., например, Антипенский Р.В., Змий Б.В., Клочков Г.Л. Электроника и схемотехника. Воронеж: ВАИУ, 2009, с. 289).The comparison circuit 8 can be made in the form of a comparator (see, for example, Antipensky R.V., Zmiy B.V., Klochkov G.L. Electronics and circuitry. Voronezh: VAIU, 2009, p. 289).

Устройство работает аналогично прототипу с некоторыми отличиями. Отличия заключаются в том, что по данным датчиков относительной влажности воздуха 1 и температуры воздуха 3 в блоке расчета влагосодержания 2 и далее в блоке расчета массового содержания сухого воздуха 4 рассчитывают соответствующие величины, а в блоке расчета требуемого значения коэффициента полноты сгорания топлива 6 - требуемый коэффициент полноты сгорания топлива. По данным датчика индексов эмиссии СО и НС на выходе из камеры сгорания 5 рассчитывают действительное значение коэффициента полноты сгорания топлива в блоке 7. В схеме сравнения 8 сравнивают требуемое и действительное значения коэффициента полноты сгорания топлива, по результатам которого блок управления 10 регулирует расход топлива в камере сгорания.The device works similarly to the prototype with some differences. The differences lie in the fact that according to the data from the sensors of relative air humidity 1 and air temperature 3 in the moisture content calculation block 2 and then in the dry air mass content calculation block 4 the corresponding values are calculated, and in the block for calculating the required value of the fuel combustion efficiency coefficient 6 - the required coefficient completeness of fuel combustion. According to the sensor of CO and HC emission indices at the exit from the combustion chamber 5, the actual value of the fuel combustion efficiency coefficient in block 7 is calculated. In comparison circuit 8, the required and actual values of the fuel combustion efficiency coefficient are compared, based on the results of which the control unit 10 regulates the fuel consumption in the chamber combustion.

Claims

A method of controlling a gas turbine engine based on measuring the position of the engine control lever, the air temperature at the gas turbine engine inlet, the gas turbine engine rotor speed and regulating fuel consumption in the combustion chamber, characterized in that the relative humidity of the air at the gas turbine engine inlet and at the chamber exit is additionally measured combustion - emission indices of carbon monoxides and hydrocarbons, calculate the moisture content, as well as the required and actual values of the fuel combustion efficiency coefficient and, depending on their ratio, regulate the fuel consumption in the combustion chamber.