Вопрос № 2. Принцип построения электрических и электронных систем управления режимами работы и регулирования силовых установок

Системы управления расходом топлива различных типов ГТД
отличаются большим многообразием схем и особенностями реализации основных принципов регулирования. С целью их краткого анализа рассмотрим упрощенные структурные схемысистем управления подачей топлива наиболее распространенныхтипов двигателей.

2.1. Двухвальный ТРДД с основным топливным насосом управляемой производительности(рис. 1).

В качестве управляемого параметра для равновесных режимов данного двигателя принята частота вращения ротора высокого давления n_вд, программу стабилизации которой выполняет регулятор n_вд=const, воздействуя на основной топливный насос (ОТН) через сервомотор (СМ), изменяющий положение управляющего органа (УО) (обычно наклонной шайбы плунжерного насоса).

Рис. 1. Схема двухвального ТРДД с основным топливным насосом

управляемой производительности

Такое воздействие на производительность основного топливного насоса (ОТН) приводит к изменению расхода топлива G_T, поступающего в двигатель через дроссельный кран (ДК) и дозирующую иглу ДИ автомата приемистости.

Режим работы двигателя задают вручную с помощью РУД, который изменяет проходное сечение ДК на увеличение или уменьшение подачи топлива и перенастраивает регуляторn_вд=const на соответствующую этому режиму частоту вращения.

Ограничение неуправляемых параметров ТРДД на их максимальных уровнях (предельно допустимых по условиям прочности и устойчивой работы узлов двигателя) осуществляют ограничители температуры газа перед турбиной Т_Г, частоты вращения ротора низкого давления n_нд и полного давления воздуха за компрессором р*_к. Данные ограничители в случае превышения параметрами своих максимальных значений оказывают приоритетное воздействие на сервомотор ОТН, который перемещает управляющий орган УО в направлении уменьшения подачи топлива к форсункам до тех пор, пока какой-либо из ограничиваемых параметров не уменьшится ниже предельно допустимого уровня. Это сопровождается снижением управляемого параметра n_вд, в результате чего тяга двигателя станет меньше заданнойположением РУД величины.

На переходных режимах подачей топлива управляет автомат приемистости (АП), обеспечивая необходимое соответствие между количеством подаваемого топлива и расходом воздуха через камеру сгорания таким образом, чтобы время переходного процесса было минимальным при условиях устойчивой работы узлов двигателя (компрессора, камеры сгорания) и безопасного (в смысле прочности) прогрева и охлаждения его деталей. АП измеряет расход воздуха по косвенным параметрам (n_вд, р*_к) и оказывает в соответствии с их изменением управляющее воздействие на сервомоторы ОТН и дозирующей иглы (ДИ), изменяя подачу топлива в двигатель по оптимальным законам независимо от скорости перемещения РУД при разгоне или сбросе газа.

В процессе запуска управление подачей топлива к рабочим форсункам осуществляет топливный автомат запуска (ТАЗ), который аналогично автомату приемистости обеспечивает оптимальное соответствие между расходами воздуха и топлива на всех этапах процесса. ТАЗ измеряет расход воздуха по величинам давления воздуха за компрессором р_кив атмосфере р_н, а расход топлива — по величине его давления р_т за дроссельным краном. При избыточном расходе топлива ТАЗ перепускает его избыток в магистраль низкого давления (на вход в ОТН), в результате чего к форсункам поступает строго необходимое количество топлива для обеспечения запуска за минимальное время при устойчивой работе компрессора, а также без превышений температуры газа перед турбиной и частот вращения роторов. После запуска двигателя ТАЗ прекращает перепуск топлива под действием возросшего давления воздуха за компрессором р_к, выключаясь из работы, а в работу вступает регулятор n_вд =const, выполняя заданную программу управления на режиме малого газа.

В схеме, на рисунке 1, как и на других нижеследующих схемах, в магистрали дозированного топлива для простоты не показан автоматический распределитель топлива (APT) по контурам рабочих форсунок.

2.2. Двухвальный ТРДД с основным топливным насосом неуправляемой производительности(рис. 2).

Программу управлениярасходом топлива на равновесных режимах данного двигателявыполняетрегулятор n_BД=const, воздействуя через автомат приемистости (АП) на сервомотор (СМ), который в нужном направлении изменяет проходное сечение дозирующей иглы ДИ.

Рис. 2. Схема системы управления расходом топлива двухвального ТРДД с ОТН

неуправляемой производительности

При любом положении ДИ клапан перепада давления КПД поддерживает заданный перепад давления топлива на ней путем перепуска избыточного количества топлива с выхода из ОТН на его вход. Изменение проходного сечения ДИ при сохранении перепада давления на ней обеспечивает возможность направленного изменения подачи топлива в двигатель.

Режим работы двигателя задают вручную с помощью РУД, который перенастраивает регулятор n_вд=const на соответствующую этому режиму частоту вращения и перемещает ограничитель хода дозирующей иглы (ОГХ), осуществляющий ограничение минимального расхода топлива при заданном положении РУД.

Ограничители неуправляемых параметров Т*_г, п_нди р*_квоздействуют на сервомотор дозирующей иглы, уменьшающий ее проходное сечение и подачу топлива к форсункам в случае превышения каким-либо из параметров своего максимально допустимого значения.

Топливный автомат запуска (ТАЗ) измеряет расход воздуха по косвенным параметрам (р_к и р_н) в соответствии с их изменением осуществляет подпитку магистрали дозированного топлива таким образом, чтобы время запуска было минимальным приустойчивой работе компрессора и без превышения температуры газа и частот вращения роторов.

2.3. Трехвальный ТРДД с основным топливным насосом неуправляемой производительности(рис. 3).

Рис. 3. Схема системы управления расходом топлива трехвального ТРДД с ОТН

неуправляемой производительности.

Для трехвальногоТРДД с большой степенью двухконтурности наиболее удобным управляемым параметром является суммарная степень повышения давления воздуха в компрессореπ_к∑, имеющая достаточнотесную связьс тягой двигателя и параметрами п_вд, Т*_Г, оказывающими существенное влияние на прочность элементов его конструкции. Кроме того, величина π_к∑характеризует запасы газодинамической устойчивости компрессора.

Для равновесных режимов работы данного ТРДД принята программа стабилизации суммарной степени повышения давления воздуха в компрессоре, которую выполняет регулятор π_к∑=const, воздействуя через автомат приемистости на сервомотор дозирующей иглы и изменяя ее проходное сечение. При любом проходном сечении дозирующей иглы регулятор перепада давления (РПД) поддерживает на ней перепад давления топлива, зависящий от величины π_к∑, путем перепуска избыточного количества топлива с выхода из ОТН в магистраль входа.

Режим работы двигателя зависит от положения РУД, связанные с которым механизмы перенастраивают регулятор π_к∑ =const на соответствующую задаваемому режиму величину π_к∑и перемещают ограничитель хода ОГХ дозирующей иглы.Ограничители частот вращенияротора вентилятора п_ви ротора высокого давления п_вдвоздействуют на регулятор перепададавления, увеличивая обратный перепуск топлива через него и уменьшая тем самым подачу топлива в двигатель в случаепревышения на максимальном режиме параметрами п_вили п_вдсвоих предельно допустимых по условиям прочности роторовзначений. По такому же принципу работает ограничитель температуры газа перед турбинойТ*_г, но ограничиваемая им величинане постоянна, как в предыдущих случаях, а зависит от положения РУД, который через задатчик ЗДК изменяет максимальнодопустимую температуру в соответствии с изменением режимовработы ТРДД. Это позволяет не только сохранить заданныезапасы прочности деталей турбины на максимальном режиме, но и обеспечитьдостаточные запасы газодинамической устойчивости компрессора на всех дроссельных (пониженных) режимах.

На переходных режимах управление подачей топлива осуществляет автомат приемистости АП, через который регуляторπ_к∑=constвоздействует на сервомотор дозирующей иглы приразгоне и сбросе газа. В зависимости от величины π_к∑АП изменяет скорость увеличения или уменьшения подачи топлива, обеспечивая протекание переходных процессов по оптимальным законам.

Топливный автомат запуска ТАЗ, сопоставляя на всех этапах процесса расход топлива G_T с величиной π_к∑, характеризующей расход воздуха, оказывает управляющее воздействие на сервомотор дозирующей иглы, который перемещает ее на увеличение подачи топлива к рабочим форсункам с оптимальными скоростями, позволяющими вывести двигатель на режим малого газа за минимальное время при нормальном протекании рабочего процесса в проточной части.

2.4. Одновальный турбовинтовой двигатель (ТВД) с основным топливным насосом управляемой производительности(рис. 4).

Для улучшения тяговых характеристик и КПД воздушных винтов применяют винты с изменяемыми углами установки лопастей φ_вв, т. е. с изменяемой потребной мощностью их привода. Поскольку располагаемую мощность ТВД можно изменить только подачей топлива, используя с целью сохранения баланса мощностей совместно с φ_вввторой управляющий фактор — расход топлива G_T, — для этих двигателей необходимо применять два управляемых параметра, в качестве которых обычно принимают частоту вращения ротора п_Р, пропорциональную частоте вращения винта, и температуру газа перед турбиной Т*_г. Управление частотой вращения осуществляют воздействием на φ_вв, а температуру газа изменяютподачей топлива.

Программу стабилизации заданной частоты вращения ротора ТВД (одинаковой на всех его основных режимах) выполняет по замкнутой схеме регулятор n_P=const, изменяя через гидроусилитель (ГУ) угол установки лопастей воздушного винта φ_BB. На режиме малого газа этот регулятор выключен из работы тем, что винт установлен на упор минимального шага, а стабилизациючастоты вращения ротора осуществляет регулятор n_МГ=const, воздействуя на сервомотор СМ, который через управляющий орган УО изменяет производительность ОТН и подачу топлива к форсункам.

В одном узле совместно с регулятором n_МГ=const встроен ограничитель максимальной частоты вращения п_тах, уменьшающий расход топлива путем воздействия на ОТН управляемой производительности при недопустимом увеличении частоты вращения в процессе разгона двигателя.

Режим работы ТВД изменяют вручную с помощью РУД, который через автомат приемистости АП по определенной программе перенастраивает регулятор перепада давления РПД, поддерживающий заданный положением РУД перепад давления топлива на дозирующей игле ДИ путем изменения производительности ОТН.

Рис. 4. Схема системы управления расходом топлива одновального ТВД с ОТН управляемой производительности

Проходное сечение ДИ зависит от воздействующего на ее сервомотор СМ автомата высотно-скоростной корректировки АВСК при изменении полного давления воздуха на входе в двигатель р_в. Программа настройки РПД на заданный режим и характеристика АВСК подобраны таким образом, чтобы на основных рабочих режимах (при n_P=const) подача топлива к форсункам обеспечивала поддержание температуры газа перед турбинойТ*_гна близких к оптимальным постоянных уровнях независимо от условий полета.

Очевидно, что точность вышеуказанной (программной) стабилизациитемпературы газа перед турбиной невысока, поэтомув системе управления расходом топлива данного двигателя предусмотрен ограничитель величиныТ*_г, который, косвенно измеряяее по температуре газа за турбиной Т*_ти атмосферному давлению р_н. осуществляет слив дозированного топлива в магистраль низкого давления в случае возможного превышения температурой Т*_гмаксимально допустимого по условиям прочности деталей турбины значения.

Для предохранения от перегрузок деталей редуктора в ТВД применяют ограничитель крутящего момента М_кр, который в случае превышения максимально допустимого значения (при взлете и наборе высоты на взлетном режиме в условиях низких TH) открывает частичный слив дозированного топлива в магистраль низкого давления, уменьшая его подачу к форсункам. Ограничитель крутящего момента поддерживает постоянную мощность двигателя от земли до расчетной высоты и обеспечивает заданную высотность ТВД при относительно небольшом расходе топлива на максимальных режимах.

Топливный автомат запуска осуществляет согласование расхода топлива с расходом воздуха через двигатель (измеряя их по косвенным параметрам) путем изменения производительности ОТН и подачи топлива к форсункам по оптимальному закону.

2.5. Вертолетный турбовальный двигатель с основным топливным насосом неуправляемой производительности(рис. 5).

Данный двигатель, так же как и ТВД, имеет два управляющих фактора: расход топлива G_T и угол установки лопастей несущего винта φ_HB

Однако в отличие от ТВД для него значительно сложнее решить задачу автоматического управления средним циклическим шагом несущего винта по замкнутой схеме из-за больших размеров винта и инерционности его элементов. Поэтому во многих случаях угол установки лопастей φ_HBизменяют вручную с помощью рычага «Шаг — газ» через механизм объединенного управления МОУ и гидроусилитель ГУ.

В качестве основного управляемого параметра для турбовального двигателя принимают частоту вращения ротора свободной турбины n_ст, пропорциональную частоте вращения винта. Программу ее стабилизации на одинаковом

для всех основных рабочих режимов уровне выполняет регулятор n_CT=const, изменяющий с помощью сервомотора СМ проходное сечение дозирующей иглы ДИ, на которой КПД поддерживает заданный перепад давленияпутем перепуска избыточного количества топлива с выхода из ОТН на его вход. Режим работы двигателя в диапазоне режимов функционирования регулятора n_CT=const можно изменить загрузкой винта (φ_HB) с помощью рычага «Шаг—газ», что будет приводить к изменению подачи топлива, температуры газа перед турбиной компрессора и мощности свободной турбины.

На глубоких дроссельных режимах, в том числе и на режиме малого газа, регулятор n_CT=const из работы выключен, а управление расходом топлива осуществляет регулятор частоты вращения ротора турбокомпрессора п_тк, который поддерживает заданную положением рычага «Шаг — газ» величину п_ткна постоянном уровне, воздействуя через автомат приемистости АП на сервомотор дозирующей иглы, изменяющий ее проходное сечение и подачу топлива в камеру сгорания.

Рис. 5. Схема системы управления расходом топлива вертолетного ГТД с ОТН неуправляемой производительности

На повышенных режимах механизм объединенного управления МОУ выключает из работы регулятор n_TK=const, в результате чего рычаг «Шаг — газ» может воздействовать только на загрузку несущего винта, изменяя ф_нв. При переводе рычага «Шаг — газ» в положение максимального режима МОУ вновь включает в работу регулятор п_ТК, который при этом обеспечивает ограничение максимальной частоты вращения ротора турбокомпрессора путем перемещения дозирующей иглы в сторону уменьшения подачи топлива в случае превышения величиной n_тк предельно допустимого уровня.

Ограничители температуры газа перед турбиной T_г и степени повышения давления воздуха в компрессоре π_кпри выходе этих параметров за максимально допустимые границы подают управляющие сигналы на сервомотор дозирующей иглы, направленные на уменьшение подачи топлива в двигатель.

В рассматриваемом ГТД предусмотрено ограничение максимального расхода топлива с целью ликвидации избыточной мощности на малых высотах, что необходимо для предохранения от перегрузок деталей трансмиссии и редуктора вертолета, а также для обеспечения заданной высотности двигателя при относительно небольшом расходе топлива на максимальных режимах. Ограничитель G_T измеряет расход в магистрали дозированного топлива и перепускает его избыток на вход в основной топливный насос.

Топливный автомат запуска данного двигателя управляет подачей топлива путем изменения проходного сечения дозирующей иглы по оптимальному закону.

Вывод:cистемы управления расходом топлива различных типов ГТД
отличаются большим многообразием схем и особенностями реализации основных принципов регулирования.

Заключение

Управление подачей топлива в основные и форсажные камеры сгорания двигателей является главной задачей систем автоматического управления ГТД, которые кроме этого решают ряд других задач, в частности, обеспечивают работу противопомпажных устройств осевых компрессоров, воздушных винтов изменяемого шага, регулируемых воздухозаборников и реактивных сопел, реверсивных устройств и т. д.Системы управления расходом топлива различных типов ГТДотличаются большим многообразием схем и особенностями реализации основных принципов регулирования.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Назначение, классификация систем управления режимами работы и регулирования параметров силовых установок.

2. Принцип построения электрических и электронных систем управления режимами работы и регулирования силовых установок.

3. Двухвальный ТРДД с основным топливным насосом неуправляемой производительности.

4. Трехвальный ТРДД с основным топливным насосом неуправляемой производительности.

5. Одновальный ТВД с основным топливным насосом управляемой производительности.

6. Вертолетный турбовальный двигатель с основным топливным насосом неуправляемой производительности.

Литература

1. Б.А. Бабин, В.П. Птухин, А.П. Фефелов, Ю.Б. Новиков, В.И. Дубровин«Конструкция реактивных двигателей» учебное пособие издательство АВВАУЛ, Армавир, 1973г.стр.3…18.

2. В.Ф. Павленко, А.А. Дьяченко, В.И. Жулев. Б.К. Колпаков, А.П. Назаров, В.А. Тихонравов, «Боевая авиационная техника» М., Воениздат, 1984г., стр. 144…150.

3. Под редакцией д.т.н., профессора Ю.П. Доброленского, Авиационное оборудование, М. Воениздат, 1989г., стр. 71…72.

(должность)

(воинское звание; подпись; инициалы, фамилия)