Основные сечения потока

С.А. Хакунов, А.С. Глазков

Автоматика управления авиадвигателямти

Учебное пособие

Часть I

Теоретические основы устройства и работы систем автоматического управления (регулирования) авиационных газотурбинных силовых установок (АГТСУ)

Санкт-Петербург

Ш87 (03)

Хакунов С.А., Глазков А.С. Автоматика управления авиадвигателями: Учебное пособие. Раздел I . Теоретические основы устройства и работы систем автоматического управления (регулирования) авиационных газотурбинных силовых установок (АГТСУ)/ Университет ГА. СПб., 2014.

Учебное пособие в трех частях, нумерация глав сквозная.

В части I изложены: основные понятия, определения, состав, назначение и основные требования к САУ (САР) АГТСУ; основные эксплуатационные режимы работы авиационных ГТД; классификация основных типов АС управления современных АГТСУ; регулируемые параметры (РП) и регулирующие факторы (РФ) АГТСУ а также программы регулирования различных схем ГТД.

Учебное пособие предназначено для студентов авиационных вузов.

Литература 20 назв.

Рецензенты:

© Университет гражданской авиации, 2014

Содержание

Основные условные обозначения, сокращения………………………………....………...……….

Предисловие……………………………………………………………………...…………………...

Введение………………………………………………………………………………………………

Раздел I

Теоретические основы устройства и работы систем автоматического управления (регулирования) авиационных газотурбинных силовых установок (АГТСУ)

Тема 1. Системы автоматического управления (регулирования) авиационных газотурбинных силовых установок (АГТСУ)………………………………………………………………………...

1.1. Обоснование необходимости применения САУ (САР) для обеспечения надежного и эффективного управления АГТСУ. Краткие сведения об истории развития САУ..............................................................................................................................................

1.2. Определение САУ (САР) АГТСУ, состав, назначение, основные требования……….

1.3. Системы и устройства силовых установок, работа которых управляется с помощью автоматических систем………………………………………………………………………...

1.4. Классификация основных типов АС управления современных АГТСУ……………..

Тема 2. Управление авиационными ГТД…………………………………………………………...

2.1. Основные эксплуатационные режимы работы авиационных ГТД……………………

2.2. Регулируемые параметры (РП) и регулирующие факторы (РФ) авиационных газотурбинных двигателей. Требования к регулируемым параметрам (РП)…………….

2.3. Программы регулирования одновального ТРД, двухвального ТРД, двухконтурного ТРД (ТРДД), турбовинтового (ТВД) и турбовального ГТД (ТВаД)………………………

2.4. Изменение различных параметров двигателей при изменении внешних условий (p_H) и (Т_H) для различных программ регулирования……………………………………………

Заключение………………………………………………………………………...............................

Список использованной литературы……………………..……………………..............................

Условные обозначения

V_п – скорость полета, м/с

Н – высота полета, м (км)

М – число Маха (отношение скорости потока к скорости звука)

а – скорость звука, м/с

с – скорость потока, м/с

p₁^* – давление заторможенного потока воздуха на входе в компрессор, Па (кПа)

p₂^* - давление заторможенного потока воздуха на выходе из компрессора, Па (кПа)

p₁^*/ p_H – степень понижения давления в сопле

א = p_1/p_x – положение прямого замыкающего скачка

∆p_ДУ – перепад давления топлива на дозирующем устройстве, Па (кПа)

V – объем, м³

ΔV – изменение объема, м³

υ – удельный объем, м³/кг

ρ – плотность, кг/м³

t – температура по шкале Цельсия, °С

n_{ТК –} частота вращения турбокомпрессора, %

n_СТ - частота вращения свободной турбины, %

n_ВИНТА -частота вращения винта, %

n_пр – приведенная частота вращения ротора, %

n_max –максимальная частота вращения ротора, %

n_взл – частота вращения ротора двигателя на взлете, %

Т₁* – абсолютная температура заторможенного потока воздуха на входе в компрессор, К

Т_Г* - абсолютная температура заторможенного потока газа перед турбиной, К

Т_ф* - абсолютная температура газа в форсажной камере сгорания, К

F₁ и F₂ – площадь сечения сопла 1-го и 2-го, соответственно, контуров, м²

F_{кр с} –площадь критического сечения сопла, м²

g(t) – входное задающее воздействие (ВВ)

y(t) – регулирующий фактор (РФ)

f(t) – возмущающее воздействие (ВВ)

x(t) – регулируемый параметр (РП)

ε(t) – сигнал ошибки

ΔТ – изменение абсолютной температуры, К

R – газовая постоянная, Дж/(кг·К)

L – удельная работа, Дж/кг

Q – количество теплоты, Дж

k, k_г – показатель адиабаты для воздуха, газа

С – теплоемкость рабочего тела, Дж/К

F – площадь проходного сечения, м²

L_к –координата, характеризующая положение конуса (панелей клина) ВЗ

γ – координата, характеризующая положение выпускных противопомпажных створок

m_{н о} – координата, характеризующая положение регулирующего органа, мм

G_Т – секундный массовый расход топлива, кг/с

G_{Т ОКС}– секундный массовый расход топлива в основную камеру сгорания, кг/с

G_{Т ФКС}– секундный массовый расход топлива в форсажную камеру сгорания, кг/с

α_{СА –} углы установки лопаток соплового аппарата турбины, град

φ _В – угол установки лопастей для ТВД, град

φ _НАК – углы установки лопаток НАК, град

φ ₁ и φ ₂ – углы установки лопаток вентилятора, град

φ _{Л СТ} – угол установки поворотных лопаток статора компрессора, град

P_дв – тяга двигателя, Н (кН)

С_уд – удельный расход топлива, кг/с

P_max – максимальная тяга двигателя, Н (кН)

P_кр – тяга двигателя на крейсерском режиме, Н (кН)

P_ЗМГ– тяга двигателя на земном малом газе, Н (кН)

P_уд –удельная тяга двигателя, Н (кН)

N – мощность, Вт (кВт)

n₁ - частота вращения ротора (вала)ТК, %

n₂ - частота вращения ротора (вала) вентилятора, %

n_н – частота вращения ротора компрессора низкого давления, %

n_в - частота вращения ротора компрессора высокого давления, %

Т₃*(Т₄*) – температура газов за КС (температура газов за турбиной)

σ - коэффициент восстановления полного давления воздух в ВЗ

G_в - расход воздуха через компрессор, кг/с

α_кс - коэффициент избытка воздуха в камере сгорания

С_в - скорость воздуха, м/с

С_с - скорость газа из сопла, м/с

p_к^*_max – максимальное давление воздуха за компрессором, Па (кПа)

η_к - КПД компрессора

η_т - мощностной КПД турбины

М_кр -крутящий момент,?

∆к_{у min} – запас газодинамической устойчивости компрессора

π_к – степень повышения давления воздуха в компрессоре

π_т – степень понижения давления газа в турбине

π_с – степень понижения давления газа в сопле

π_кр. – критическая степень понижения давления газа

π_∑ – степень повышения (понижения) давления воздуха в двигателе

m – степень двухконтурности

Ө – степень подогрева воздуха в двигателе

; Ө .

Основные сечения потока

Н–Н – невозмущенный поток перед двигателем

Вх–Вх – вход во входное устройство

В–В – вход в компрессор

К–К – выход из компрессора

Г–Г – вход в турбину

Т–Т – выход из турбины

С–С – выход из реактивного сопла

Кр–Кр – критическое сечение

Сокращения

АГТСУ – авиационные газотурбинные силовые установки

ЛА – летательный аппарат

АД – авиационный двигатель

ГТД – газотурбинный двигатель

ТРД – турбореактивный одноконтурный двигатель

ТРДД – турбореактивный двухконтурный двигатель

ТРДФ – ТРД с форсажной камерой сгорания

ТРДДФ – ТРДД с форсажной камерой сгорания

ТВД – турбовинтовой двигатель

ТВаД – турбовальный двигатель

Вх. У – входное устройство

К – компрессор

КНД – компрессор низкого давления

КВД – компрессор высокого давления

ОКС – основная камера сгорания

Т – турбина

СТ – свободная турбина

ТНД – турбина низкого давления

ТК - турбокомпрессор

ФКС – форсажная камера сгорания

ГВТ – газовоздушный тракт

НАК – направляющие аппараты компрессора

КПД – коэффициент полезного действия

ПОС – противообледенительная система

ВЗ – воздухозаборник

Вых. У – выходное устройство

РС – реактивное сопло

РУ – реверсивное устройство

СА – сопловой аппарат

СУ – газотурбинная силовая установка летательного аппарата

АС – автоматическая система

САУ – система автоматического управления

САР – система автоматического регулирования

АУУ – автоматическое управляющее устройство

ПУ – программа управления

ОУ – объект управления

УО – управляющий орган

УП – управляемый параметр

УФ – управляющий фактор

РФ – регулирующий фактор

ПРП – параметры рабочего процесса

ЗВ – задающее воздействие

УВ – управляющие воздействия

ВВ – возмущающие воздействия

РУД – ручка управления двигателем

ГЗ – гидрозамедлитель

МБФ – механизм блокировки включения форсажа

FADEC – Full Authority Digital Engine Control – цифровая система управления двигателем с полной ответственностью

ОС – обратная связь

ЗУ – задающее устройство

ЧЭ – чувствительный элемент

СУ – сравнивающее устройство

ПУ – преобразующее устройство

РО – регулирующий орган

ДК – дозирующий кран

ДУ_ОК – дозирующее устройство основного контура

УУ – усилительное устройство

КК – корректирующее устройство

ИУ – исполнительное устройство

ПЗУ – программное задающее устройство

БК – боевая кнопка

МГ – режим малого газа ГТД

МАХ – максимальный режим работы ГТД

НОМ – номинальный режим работы ГТД

КР – крейсерский режим работы ГТД

ЗМГ – режим земного малого газа

ПМГ – режим полетного малого газа

ПФ – полный форсированный режим

ЧФ – частичный форсированный режим

МФ – режим минимального форсирования

ЧР – чрезвычайный режим

АОУ – агрегат объединенного управления

МОУ – механизм объединенного управления

РОШ – рычаг общего шага

РЧВ – регулятор частоты вращения

АДТ – автомат дозировки топлива

ИКМ – измеритель крутящего момента

ТАД – теория авиадвигателей

МСА – международная стандартная атмосфера

Используемые индексы

* – параметры заторможенного потока

вх – параметры на входе во входное устройство

в – параметры на входе в компрессор

к – параметры на выходе из компрессора

г – параметры на входе в турбину

т – параметры на выходе из турбины

с – параметры на выходе из реактивного сопла

кр – параметры в критическом сечении

вх. у. – входное устройство

вых. у. – выходное устройство

в – воздух

г – газ

кр. – критический

к.с. – камера сгорания

к – компрессор

Предисловие

Применение систем автоматического управления (САУ) является важнейшим фактором в развитии всей авиационной техники и, в частности, в решении вопросов надежности, долговечности и экономичности силовых установок, используемых на летательных аппаратах.

Авиационные газотурбинные силовые установки (АГТСУ) современных летательных аппаратов достигли высокой степени технического совершенства. Они позволяют получать при работе на расчетном режиме необходимую тягу (эквивалентную мощность) при относительно низких значениях удельной массы и удельного расхода топлива. Однако для улучшения характеристик силовых установок на нерасчетных режимах при различных окружающих условиях, а также по мере расширения диапазона скоростей и высот полета летательных аппаратов возникает потребность в управлении все большим числом параметров рабочего процесса, в усложнении программ управления (регулирования) и в повышении их точности. Успешное решение этих задач возможно только средствами автоматики, т.е. в результате использования систем автоматического управления (регулирования).

Системы автоматического управления (регулирования) реализуют без непосредственного участия человека в замкнутом контуре САУ все выработанные человеком заранее или в процессе функционирования объекта алгоритмы действия. Роль человека при этом сводится к пуску и выключению системы, эпизодическому контролю за правильностью ее работы, регулированию, отладке, техническому обслуживанию и другим вспомогательным функциям, непосредственно не связанным с выполнением системой процесса регулирования АГТСУ.

В курсе учебной дисциплины "Автоматическое управление авиадвигателями" изучаются общие принципы построения и классификации САУ; регулируемые параметры, регулирующие факторы и программы регулирования авиационных ГТД; элементная база гидромеханических САУ; системы регулирования и регуляторы отдельных параметров или элементов двигателя, а также перспективы развития САУ авиационных ГТД. Этот курс является необходимым для подготовки авиационных специалистов в области технической эксплуатации летательных аппаратов и авиадвигателей ГА.

Основной задачей изучения дисциплины является приобретение знаний по принципам действия, особенностям конструктивного выделения, условиям работы и характеристикам САУ в целом, а также их основных элементов или звеньев.

Теоретические разделы дисциплины, содержащие математические выкладки, дают возможность разобраться в том, какие физические процессы описывают рассматриваемые уравнения, какие величины входят в эти уравнения и как различные конструктивные и эксплуатационные факторы влияют на эти величины.

Работу элементов САУ и их взаимодействие рекомендуется изучать, используя структурные и принципиальные схемы конкретных систем. При изучении принципа работы и устройства отдельных автоматов (например, автомата приемистости, автомата запуска и др.) полезно использовать отдельные функциональные схемы и чертежи этих устройств.

При рассмотрении процессов, происходящих в САУ, необходимо особое внимание уделить пониманию физической сути изучаемых явлений, уяснить механизмы влияния различных факторов на изучаемый процесс.

Изучая конкретную систему автоматического управления, необходимо, используя знания, полученные при изучении дисциплины "Основы автоматики", расчленить ее на отдельные функциональные элементы (типовые звенья), выяснить, зачем то или иное автоматическое устройство введено в данную схему. После этого следует разобраться, как работает каждый элемент данной системы, как он обеспечивает реализацию предъявляемых к системе требований, выяснить преимущества и недостатки данного элемента по сравнению с другими элементами, обеспечивающими выполнение тех же функций в других известных САУ.

При изучении автоматических устройств наряду с усвоением принципа их действия надо обратить внимание на конструкцию основных элементов и, в первую очередь, датчиков, усилителей, сервомеханизмов и исполнительных органов. Конструкцию указанных устройств сначала следует изучать, используя отдельные функциональные схемы и чертежи, а затем - на примере конкретных САУ.

Особое внимание при изучении отдельных элементов САУ следует обратить на регулировочные элементы, используемые на практике для выполнения заводских и эксплуатационных настроек регулятора. В частности, необходимо уяснить, как влияет положение регулирово­чных устройств на протекание эксплуатационных характеристик регуляторов и автоматов САУ.

После изучения каждой из учебных тем дисциплины следует проверить усвоение материала, отвечая на вопросы для самопроверки.

1.2. Перечень дисциплин и основных тем, необходимых для изучения дисциплины " САУ АГТД "

Изложение учебного материала данной дисциплины опирается на знания, полученные при изучении следующих дисциплин и их тем.

Высшая математика:

- алгебраические уравнения, решения алгебраических уравнений, основные положения дифференциального исчисления;

- обыкновенные дифференциальные уравнения, решение линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами;

- неопределенные и определенные интегралы;

- комплексные числа и функции комплексных переменных, алгебраические действия с комплексными числами.

Физика:

- физические свойства жидкостей и газов;

- законы сохранения массы, количества движения и энергии;

- первый и второй законы Ньютона;

- динамика материальной точки, условия равновесия механической системы, единицы размерности физических величин.

Теория авиационных двигателей:

- многоступенчатые осевые компрессоры;

- характеристики компрессоров;

- работа и характеристики газовых турбин;

- эксплуатационные характеристики авиационных ГТД.

Основы автоматики (весь курс)

1.3. Перечень дисциплин, в которых используется данная дисциплина:

- техническая эксплуатация летательных аппаратов и авиадвигателей;

- техническая диагностика;

- конструкция и прочность авиационных двигателей;

- самолеты и двигатели ГА.

1.4. Целевая установка

Изучение дисциплины " Автоматическое управление авиадвигателями " обеспечивает подготовку студентов к изучению специальных учебных курсов, входящих в программу подготовки инженеров специальности 160901 и, в частности, таких курсов как:

- техническая эксплуатация ЛА и АД;

- диагностика технического состояния АД;

- безопасность полетов (техническая эксплуатация и расследование летных происшествий);

- конкретная техника;

- дипломное проектирование.

В результате изучения дисциплины " Автоматическое управление авиадвигателями " студенты должны

ЗНАТЬ:

- основные понятия и определения, терминологию САУ авиационными ГТД;

- требования, предъявляемые к системам автоматического управления авиационных двигателей в соответствии с нормами летной годности и безопасности полетов;

- принципы действия, особенности конструктивного исполнения, работу и эксплуатационные характеристики отдельных элементов и систем автоматического управления в целом;

- влияние отдельных устройств или элементов авиационной автоматики на работу авиационных ГТД.

УМЕТЬ:

- анализировать системы регулирования авиационных ГТД по их структуре;

- устанавливать возможные причины и проводить инженерный анализ эксплуатационных отказов элементов САУ;

- формировать требования к проведению отладки автоматических систем управления ГТД.

Дисциплина «Термодинамика и теплопередача» является базовой для изучения ряда специальных дисциплин и вместе с тем имеет самостоятельное значение для подготовки авиационного инженера.

Знание этой дисциплины необходимо для понимания и расчета процессов, протекающих в элементах летательных аппаратов и их силовых установок, анализа совершенства авиационных двигателей и холодильных установок, определения температурного состояния деталей авиационных конструкций, понимания принципов действия систем их тепловой защиты и работы теплообменных аппаратов.

Настоящее пособие написано в соответствии с рабочей программой дисциплины «Автоматика управления авиадвигателями» для специальности 160901 — «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей» и профилю подготовки (специализация) «Техническое обслуживание летательных аппаратов и двигателей (ТОЛААД)» и состоит из трех разделов: раздел I — Теоретические основы устройства и работы систем автоматического управления (регулирования) авиационных газотурбинных силовых установок (АГТСУ); раздел II — Устройство и работа систем автоматического управления (регулирования) авиационных газотурбинных силовых установок (АГТСУ.

При создании пособия автор исходил из необходимости в небольшом объеме изложить теоретические основы дисциплины на уровне современных достижений термодинамики и теплопередачи, подчинив изложение материала задачам подготовки авиационного инженера.

В соответствии с этим настоящее пособие отличается от других аналогичных изданий большим вниманием к физической сущности изучаемых явлений, несколько иным распределением материала по темам и авиационной направленностью. В частности, в первом разделе учебного пособия более подробно описаны первый и второй законы термодинамики, вопросы исследования идеальных циклов тепловых двигателей, основной задачей которых является определение степени преобразования подведенного тепла в работу; оцениваются пути повышения эффективности циклов тепловых двигателей, что вызвано большим значением этих тем для подготовки авиационных специалистов. Материал излагается на примерах авиационной техники с решением практических задач по большинству тем раздела пособия.

В своей работе автор опирался на многолетний научный и учебно-методический опыт высших авиационных учебных заведений Министерства обороны Российской Федерации и СПбГУ гражданской авиации.

Автор выражает глубокую признательность рецензентам пособия:

за высказанные ими предложения, направленные на улучшение рукописи. Особую благодарность автор выражает студентам инженерно-технического факультета СПбГУ гражданской авиации К. Межину, М. Байбородиной, В. Лазареву за помощь в наборе текста и выполнении иллюстраций к данному пособию.

Введение

Термодинамикаизучает закономерности взаимного преобразования различных видов энергии.

Свое название термодинамика получила от двух греческих слов: therme — «тепло» и dynamis — «сила». Вторым словом прежде выражали различные понятия: и силу, и работу. Термодинамика возникла в XIX веке в процессе изучения оптимальных условий использования теплоты для совершения работы в связи с интенсивным развитием и использованием тепловых двигателей.

Термодинамика строится на основе фундаментальных принципов (законов, начал), которые являются обобщением многочисленных наблюдений и выполняются независимо от конкретной природы образующих систему тел. Именно поэтому закономерности и соотношения между физическими величинами, к которым приводит термодинамика, имеют универсальный характер.

Термодинамика отличается от других научных дисциплин, изучающих окружающий нас мир. Основанная на простых наблюдениях, на несложных опытах, она развилась в удивительную стройную науку, в основе которой лежит небольшое число законов (начал). Путем строгих логических заключений, чисто математическими методами термодинамика устанавливает связи между самыми разнообразными свойствами вещества; позволяет на основании изучения одних легко измеряемых величин вычислять другие, важные и необходимые, но трудноизмеряемые или даже недоступные непосредственному измерению.

Каким бы сложным ни было изучаемое явление, к какой бы отрасли познания оно ни относилось — всюду и всегда наиболее важным будет превращение одного вида энергии в другой.

Первым тепловым двигателем была паровая машина. За короткий период она нашла широкое применение в промышленности. Для совершенствования и расчетов подобных машин необходимо было теоретическое описание происходящих в них процессов. В решение этой задачи вложили свой труд многие уче­ные. В 40-х годах XIX века благодаря исследованиям русских ученых Г. Гесса, Э. Ленца и зарубежных Ю. Майера, Д. Джоуля и Г. Гельмгольца был установлен первый закон термодинамики, являющийся частным случаем закона сохранения и превращения энергии в применении к термодинамическим системам, основные положения которого были сформулированы М. В. Ломоносовым в 1748 году.

В середине XIX века немецкий ученый Р. Клаузиус и английский физик В. Томсон установили второй закон термодинамики. В сво­их исследованиях они развивали идеи, впервые высказанные французским ученым С. Карно в 1824 году.

Большое значение для развития термодинамики имели иссле­дования русских и советских ученых: открытие Д. И. Менделе­евым критического состояния вещества; развитие этого учения А. Г. Столетовым, М. П. Авенариусом и др.; развитие общей кинетической теории вещества Н. Н. Пироговым; новое обоснова­ние второго закона термодинамики Н. Н. Шиллером; работы по теории паровых турбин А. А. Радцига; исследования теплофизических свойств рабочих тел М. П. Вукаловича, В. А.Кириллина и др.

Благодаря трудам советской школы ученых в нашей стране созданы современные тепловые двигатели, в частности ГТД для самолетов и вертолетов, обеспечивающие их высокие летно-технические характеристики.

Бурное развитие авиационной техники поставило перед термодинамикой ряд новых задач, от решения которых зависит дальнейшее развитие ГТД. Современные авиационные двигатели непрерывно улучшаются и изменяется. Для того чтобы изучить и понять эти изменения, объяснить те или иные недостатки, обнаруженные при эксплуатации, принять правильные и грамотные решения для их устранения, необходимо иметь прочную теоретическую базу, что позволит объяснить сущность протекания различных процессов в современном ГТД.

Методы технической термодинамики лежат в основе теории авиационных двигателей и их элементов, холодильных и энергетических установок; они позволяют анализировать газовые потоки, определять изменения состояния различных рабочих тел.

Таким образом, термодинамика является той фундаментальной базой, которая объясняет закономерности протекания физических процессов в ГТД, конструктивные схемы, пути совершенствования ГТД, диагностики авиационных силовых установок и грамотной летной и технической эксплуатации силовых установок воздушных судов.

Термодинамика в настоящее время охватывает широкий круг вопросов.

Содержание курса термодинамики направлено на изучение рабочих процессов главным образом авиационных ГТД и ДВС и использования для их описания и расчета аппарата термодинамики. В данном пособии рассмотрена только часть термодинамики, называемая технической термодинамикой. Она изучает термодинамику газов, свойства которых соответствуют характерным для авиадвигателей диапазонам давления и температур, а также процессы взаимного преобразования тепловой и механической энергии, происходящие в тепловых двигателях.