Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АС - автоматическая система

АД - авиационный двигатель

ВЗ - воздухозаборник

ВНА - входной направляющий аппарат

ВС - воздушное судно

ВД - высокого давления

ГДУ - газодинамическая устойчивость

ГТД - газотурбинный двигатель

ДИ - дозирующая игла

КВД - компрессор высокого давления

КНД - компрессор низкого давления

НА - направляющий аппарат

НД - низкого давления

РУД - рычаг управления двигателем

САУ - система автоматического управления

СУ - силовая установка

ТВД - турбовинтовой двигатель; турбина высокого давления

ТНД - турбина низкого давления

ТРДД - турбореактивный двигатель двухконтурный

ТРДДФ - турбореактивный двигатель двухконтурный с форсажной камерой

ТО - техническое обслуживание

ЦП - центральный процессор

ACU - actuator control unit - блок управления приводами

AFDX - формат шины данных

ARINC 429 - формат данных цифровой шины

DEC/DECU - digital electronic control unit - блок цифрового управления двигателем

EEC - electronic engine control - блок системы электронного управления двигателем; электронный регулятор

EMU - engine monitoring unit - блок управления двигателем

EOSU - electronic overspeed protection unit - модуль защиты двигателя от заброса оборотов

ETRAS - electromechanical thrust reverser actuation system - электромеханическая система привода устройства реверсирования тяги

FADEC - full authority digital electronic control - система электронного управления двигателем с полной ответственностью

FCU - fuel control unit - регулятор подачи топлива

FMS - fuel metering section - измерительная часть

FMU - fuel metering unit - топливодозирующее устройство

N1 - частота вращения ротора низкого давления

N2 - частота вращения ротора высокого давления

ODMS - oil-debris magnetic sensor - датчик обнаружения металлических частиц в масле

SAV - starter air valve - клапан воздушного стартера

VMU - vibration measurement unit - устройство измерения вибрации

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Общие сведения о системах автоматического управления авиационными газотурбинными двигателями

1.1 Назначение систем автоматического управления

1.2 Проблемы, возникающие при эксплуатации систем автоматического управления двигателями типа FADEC

2. Газодинамические схемы газотурбинных двигателей

2.1 Газодинамическая характеристика газотурбинных двигателей

2.2 Управление двигателем

3. Системы управления подачей топлива

3.1 Главный регулятор расхода топлива

3.2 Упрощенная схема управления топливом

3.3 Гидропневматические системы управления топливом, ТВД PT6

3.4 Система управления топливом Бендикс DP-L2

3.5 Электронная система программирования подачи топлива

3.6 Управление мощностью и программирование подачи топлива (CFM56-7B)

3.7 Система управления топливом ВСУ

3.8 Настройка системы управления топливом

4. Система автоматического управления

4.1 Основная часть

4.2 Описание и работа

4.3 Система управления топливом

4.4 Система индикации расхода топлива

4.5 Внешние магистрали

Выводы и рекомендации

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Газотурбинные двигатели (ГТД) за шестьдесят лет своего развития стали основным типом двигателей для воздушных судов современной гражданской авиации. Газотурбинные двигатели - классический пример сложнейшего устройства, детали которого работают длительное время в условиях высоких температур и механических нагрузок. Высокоэффективная и надежная эксплуатация авиационных газотурбинных силовых установок современных воздушных судов невозможна без применения специальных систем автоматического управления (САУ). Крайне важно отслеживать рабочие параметры двигателя, управлять ими для обеспечения высокой надежности работы и длительного срока его эксплуатации. Следовательно, огромную роль играет выбор автоматической системы управления двигателем.

В настоящее время в мире широко используются воздушные суда, на которых устанавливаются двигатели V поколения, оборудованные новейшими системами автоматического управления типа FADEC (Full Authority Digital Electronic Control). На авиационных газотурбинных двигателях первых поколений устанавливались гидромеханические САУ.

Гидромеханические системы прошли долгий путь развития и совершенствования, начиная от простейших, основанных на управлении подачей топлива в камеру сгорания (КС) при помощи открытия/закрытия отсечного клапана (вентиля), до современных гидроэлектронных, в которых все основные функции регулирования производятся с помощью гидромеханических счётно-решающих устройств, и только для выполнения некоторых функций (ограничение температуры газа, частоты вращения ротора турбокомпрессора и др.) используются электронные регуляторы. Однако сейчас этого не достаточно. Для того, чтобы соответствовать высоким требованиям безопасности и экономичности полетов, необходимо создавать полностью электронные системы, в которых все функции регулирования выполняются средствами электронной техники, а исполнительные органы могут быть гидромеханическими или пневматическими. Такие САУ способны не просто контролировать большое число параметров двигателя, но и отслеживать их тенденции, управлять ими, тем самым, согласно установленным программам, задавать двигателю соответствующие режимы работы, взаимодействовать с системами самолета для достижения максимальной эффективности. Именно к таким системам относится САУ FADEC.

Серьезное изучение устройства и работы систем автоматического управления авиационных ГТД является необходимым условием правильности оценки технического состояния (диагностики) АС управления и их отдельных элементов, а также безопасной эксплуатации САУ авиационных газотурбинных силовых установок в целом.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ АВИАЦИОННЫМИ ГТД

1.1 Назначение систем автоматического управления

газотурбинный двигатель топливо управление

САУ предназначена для (рис. 1):

- управления запуском двигателя и его выключения;

- управления режимом работы двигателя;

- обеспечения устойчивой работы компрессора и камеры сгорания (КС) двигателя на установившихся и переходных режимах;

- предотвращения превышения параметров двигателя выше предельно допустимых;

- обеспечения информационного обмена с системами самолета;

- интегрированного управления двигателем в составе силовой установки самолета по командам из самолетной системы управления;

- обеспечения контроля исправности элементов САУ;

- оперативного контроля и диагностирования состояния двигателя (при объединенной САУ и системы контроля);

- подготовки и выдачи в систему регистрации информации о состоянии двигателя.

Обеспечение управлением запуска двигателя и его выключением. На запуске САУ выполняет следующие функции:

- управляет подачей топлива в КС, направляющим аппаратом (НА), перепусками воздуха;

- управляет пусковым устройством и агрегатами зажигания;

- защищает двигатель при помпаже, срывах в компрессоре и от перегрева турбины;

- защищает пусковое устройство от превышения предельной частоты вращения.



Рис. 1. Назначение системы автоматического управления двигателем [1]

САУ обеспечивает выключение двигателя с любого режима работы по команде пилота или автоматически при достижении предельных параметров, кратковременное прекращение подачи топлива в основную КС при потере газодинамической устойчивости компрессора (ГДУ).

Управление режимом работы двигателя. Управление производится по командам пилота в соответствии с заданными программами управления. Управляющим воздействием является расход топлива в КС. При управлении поддерживается заданный параметр регулирования с учетом параметров воздуха на входе в двигатель и внутридвигательных параметров. В многосвязных системах управления также может управляться геометрия проточной части для реализации оптимального и адаптивного управления с целью обеспечения максимальной эффективности комплекса «СУ - летательный аппарат».

Обеспечение устойчивой работы компрессора, КС двигателя на установившихся и переходных режимах. Для устойчивой работы компрессора и КС осуществляется автоматическое программное управление подачей топлива в камеру сгорания на переходных режимах, управление клапанами перепуска воздуха из компрессора или за компрессором, управление углом установки поворотных лопаток ВНА и НА компрессора. Управление обеспечивает протекание линии рабочих режимов с достаточным запасом газодинамической устойчивости компрессора (вентилятора, подпорных ступеней, КНД и КВД). Для предотвращения превышения параметров при потере ГДУ компрессора применяется противопомпажная и противосрывная системы.

Предотвращение превышения параметров двигателя выше предельно допустимых. Под предельно допустимыми понимаются максимально возможные параметры двигателя, ограниченные по условиям выполнения дроссельных и высотно-скоростных характеристик. Длительная работа на режимах с предельно допустимыми параметрами не должна приводить к разрушению деталей двигателя. В зависимости от конструкции двигателя автоматически ограничиваются:

- предельно допустимая частота вращения роторов двигателя;

- предельно допустимое давление воздуха за компрессором;

- максимальная температура газа за турбиной;

- максимальная температура материала рабочих лопаток турбины;

- минимальный и максимальный расход топлива в КС;

- предельно допустимая частота вращения турбины пускового устройства.

В случае раскрутки турбины при обрыве ее вала производится автоматическое выключение двигателя с максимально возможным быстродействием клапана отсечки топлива в КС. Может быть применен электронный датчик, фиксирующий превышение пороговой частоты вращения, или механическое устройство, которое фиксирует взаимное окружное смещение валов компрессора и турбины и определяет момент обрыва вала для выключения подачи топлива. При этом управляющие устройства могут быть электронными, электромеханическими или механическими.

В конструкции САУ должны быть предусмотрены надсистемные средства защиты двигателя от разрушений при достижении предельных параметров в случае выхода из строя основных каналов управления САУ. Может быть предусмотрен отдельный агрегат, который при достижении предельного для надсистемного ограничения значения какого-либо из параметров с максимальным быстродействием выдает команду на отсечку топлива в КС [6].

Информационный обмен с системами самолета. Информационный обмен осуществляется по последовательным и параллельным каналам информационного обмена.

Выдача информации в контрольно-проверочную и регулировочную аппаратуру. Для определения исправного состояния электронной части САУ, поиска неисправностей, эксплуатационной регулировки электронных агрегатов в комплекте принадлежностей двигателя имеется специальный пульт контроля, проверки и регулировки. Пульт применяется при наземных работах, в некоторых системах устанавливается на борту самолета. Между САУ и пультом осуществляется информационный обмен по кодовым линиям связи через специально подсоединяемый кабель.

Интегрированное управление двигателем в составе СУ самолета по командам из самолетной системы управления. С целью получения максимальной эффективности работы двигателя и самолета в целом интегрируют управление двигателем и другими системами СУ. Системы управления интегрируют на базе бортовых цифровых вычислительных систем, объединенных в систему управления бортовым комплексом. Интегрированное управление осуществляется корректировкой программ управления двигателем от системы управления СУ, выдачей параметров двигателя для управления воздухозаборником (ВЗ). По сигналу от САУ ВЗ выдаются команды на установление элементов механизации двигателя в положение повышения запасов ГДУ компрессора. Для предотвращения срывов в управляемом ВЗ при изменении режима полета режим двигателя соответственно корректируется или фиксируется.

Контроль исправности элементов САУ. В электронной части САУ двигателя автоматически контролируется исправность элементов САУ. При отказе элементов САУ информация о неисправностях выдается в систему контроля СУ самолета. Выполняется реконфигурация программ управления и структуры электронной части САУ для сохранения ее работоспособности.

Оперативный контроль и диагностирование состояния двигателя. САУ, интегрированная с системой контроля выполняет дополнительно следующие функции:

- прием сигналов от датчиков и сигнализаторов двигателя и самолета, их фильтрацию, обработку и выдачу в бортовые системы индикации, регистрации и другие системы самолета, преобразование аналоговых и дискретных параметров;

- допусковый контроль измеренных параметров;

- контроль параметра тяги двигателя на взлетном режиме;

- контроль работы механизации компрессора;

- контроль положения элементов реверсивного устройства на прямой и обратной тяге;

- расчет и хранение информации о наработке двигателя;

- контроль часового расхода и уровня масла при заправке;

- контроль времени запуска двигателя и выбега роторов КНД и КВД при останове;

- контроль систем отбора воздуха и системы охлаждения турбины;

- виброконтроль узлов двигателя;

- анализ тенденций изменения основных параметров двигателя на установившихся режимах.

На рис. 2 схематично представлен состав агрегатов системы автоматического управления ТРДД.

При достигнутом в настоящее время уровне параметров рабочего процесса авиационных ГТД дальнейшее улучшение характеристик силовых установок связано с поиском новых путей управления, с интеграцией САУ АД в единую систему управления самолетом и двигателем и их совместным управлением в зависимости от режима и этапа полета. Такой подход становится возможным при переходе к электронным цифровым системам управления двигателем типа FADEC (Full Authority Digital Electronic Control), т.е. к системам, в которых электроника осуществляет управление двигателем на всех этапах и режимах полета (системам с полной ответственностью) [6].

Преимущества цифровой системы управления с полной ответственностью перед гидромеханической системой управления очевидны:

- система FADEC имеет два независимых канала управления, что значительно повышает ее надежность и исключает необходимость многократного резервирования, снижает ее вес;

Рис. 2. Состав агрегатов системы автоматического управления, контроля и топливопитания ТРДД

- система FADEC осуществляет автоматический запуск, работу на установившихся режимах, ограничение температуры газа и скорости вращения, запуск после погасания камеры сгорания, антипомпажную защиту за счет кратковременного снижения подачи топлива, она функционирует на основе данных разного типа, поступающих от датчиков;

- система FADEC обладает большей гибкостью, т.к. количество и сущность выполняемых ею функций можно увеличивать и изменять с помощью введения новых или корректировки существующих программ управления;

- система FADEC значительно снижает рабочие нагрузки для экипажа и обеспечивает применение широко распространенной техники электропроводного (fly-by-wire) управления самолетом;

- в функции системы FADEC входит мониторинг состояния двигателя, диагноз отказов и информация о техобслуживании всей силовой установки. Вибрация, рабочие характеристики, температура, поведение топливных и масляных систем - одни из многих эксплуатационных аспектов, мониторинг которых обеспечивает безопасность, эффективный контроль ресурса и снижение расходов на обслуживание;

- система FADEC обеспечивает регистрацию наработки двигателя и повреждаемости его основных узлов, наземный и походный самоконтроль с сохранением результатов в энергонезависимой памяти;

- для системы FADEC отсутствует необходимость регулировок и проверок двигателя после замены какого-либо из его узлов.

Система FADEC также:

- управляет тягой на двух режимах: ручном и автоматическом;

- контролирует расход топлива;

- обеспечивает оптимальные режимы работы, управляя течением воздуха по тракту двигателя и регулируя зазор за рабочими лопатками ТВД;

- контролирует температуру масла интегрированного привод-генератора;

- обеспечивает выполнение ограничений по работе системы реверса тяги на земле.

На рис. 3 наглядно продемонстрирован широкий спектр функций, выполняемых САУ FADEC.

В России САУ этого типа разрабатываются для модификаций двигателей АЛ-31Ф, ПС-90А и ряда других изделий.

Рис. 3. Назначение цифровой системы управление двигателем с полной ответственностью [1]

1.2 Проблемы, возникающие при эксплуатации систем автоматического управления двигателями типа FADEC

Следует отметить, что в связи с более динамичным развитием электроники и информационных технологий за рубежом ряд фирм, занимающихся изготовлением САУ АД, рассматривал переход к системам типа FADEC в середине 80-х годов. Некоторые аспекты этого вопроса и проблематики, связанной с ним, были изложены в отчетах NASA и ряде периодических изданий. Тем не менее, в них приведены только общие положения, указаны основные преимущества электронно-цифровых САУ. Проблемы, возникающие при переходе к электронным системам, пути их решения и вопросы, связанные с обеспечением требуемых показателей САУ, опубликованы не были [6].

На сегодняшний день одной из наиболее острых задач для САУ, построенных на базе электронных цифровых систем, является задача обеспечения необходимого уровня надежности. Это, прежде всего, обусловлено недостаточным опытом разработки и эксплуатации подобных систем.

Известны факты отказов САУ FADEC авиационных ГТД иностранного производства по сходным причинам. Например, в САУ FADEC, установленных на ТРДД Роллс-Ройс АЕ3007А и АЕ3007С, были зафиксированы отказы транзисторов, что могло стать причиной отказов в полете этих двигателей, применяемых на двухдвигательных самолетах.

Для двигателя ТРДД AS900 возникла необходимость внедрения программы, обеспечивающей автоматическое ограничение параметров для повышения надежности системы FADEC, а также предотвращение, обнаружение и восстановление нормальной работы после помпажей и заглоханий. ТРДД AS900 также был снабжен защитой от заброса частоты вращения, сдвоенными соединениями для передачи данных к датчикам критических параметров с помощью шины и дискретных сигналов по стандарту ARINK 429 [7].

Специалисты, занимающиеся разработкой и внедрением в эксплуатацию САУ FADEC, обнаруживали немало логических ошибок, на исправление которых требовались значительные суммы денег. Тем не менее, они определили, что в перспективе за счет совершенствования системы FADEC станет возможным прогнозирование ресурса всех компонентов двигателя. Это позволит осуществлять контроль за парком самолетов дистанционно из центрального пункта в любом районе земного шара.

Внедрению этих инноваций будет способствовать переход от управления исполнительными механизмами при помощи центральных микропроцессоров к созданию интеллектуальных механизмов, снабженных собственными управляющими процессорами. Преимуществом такой «распределенной системы» будет снижение массы за счет отказа от линий передачи сигналов и сопутствующего оборудования. Независимо от этого будет продолжаться совершенствование отдельных систем.

Перспективными внедрениями для отдельно взятых ГТД иностранного производства являются [8]:

- усовершенствование системы управления двигателем, обеспечивающее автоматические запуск и режим малого газа с управлением отбором воздуха и противообледенительной системой, синхронизация работы систем двигателя для получения низкого уровня шума и автоматического сохранения характеристик, а также управление реверсивным устройством;

- изменение принципа работы САУ FADEC с целью осуществления управления двигателем не по сигналам датчиков давления и температуры, а непосредственно по частоте вращения ротора ВД в связи с тем, что этот параметр измерить легче, чем сигнал от двойной системы датчиков температуры-давления, который в действующих двигателях должен быть преобразован. Новая система позволит получить большую скорость реагирования и меньший разброс петли регулирования;

- установка многократно более мощного процессора с использованием стандартных промышленных чипов и обеспечение диагностики и прогнозирования состояния (работоспособности) двигателя и его характеристик, разработка САУ FADEC типа PSC. PSC - это система, работающая в реальном масштабе времени, которая может использоваться для оптимизации характеристик двигателя, зависящих от многочисленных ограничений, например, чтобы минимизировать удельный расход топлива при постоянной тяге;

- включение в состав САУ FADEC интегрированной системы контроля технического состояния двигателя. Двигатель регулируется по приведенной частоте вращения вентилятора с учетом высоты полета, наружной температуры, величины тяги и числа М;

- объединение системы контроля технического состояния двигателя, EMU (Engine Monitoring Unit), с FADEC, что позволит в реальном времени сопоставлять большее количество данных и обеспечит большую безопасность при работе двигателя «вблизи физических пределов». На основе применения упрощенной термодинамической модели, в которой такие факторы, как изменение температуры и напряжения, учитываются совместно в виде суммарного показателя накопления усталости, блок EMU позволяет также контролировать частоту использования во времени. Имеется также контроль ситуаций типа «визжащего» звука, скрипов, повышенных вибраций, прерванного запуска, срыва пламени, помпажа двигателя. Новым для системы FADEC является использование магнитного датчика обнаружения металлических частиц ODMS (Oil-debris Magnetic Sensor), который не только позволяет определять размеры и количество железосодержащих частиц, но и с помощью центрифуги удалять их на 70…80 %. В случае обнаружения роста количества частиц, блок EMU позволяет проверить наличие вибрации и выявить опасные процессы, например, надвигающееся разрушение подшипника (для ТРДДФ ЕJ200);

- создание фирмой Дженерал Электрик двухканальной цифровой САУ FADEC третьего поколения, время срабатывания которой значительно меньше, а объем памяти больше, чем у предыдущих САУ FADEC двухконтурных двигателей производства этой фирмы. Благодаря этому САУ располагает дополнительными резервными возможностями для повышения надежности и тяги двигателя. В САУ FADEC также будет заложена перспективная способность фильтровать вибрационные сигналы, чтобы устанавливать и диагностировать симптомы приближающейся поломки узла/детали на основании спектрального анализа известных видов отказов и неисправностей, например, разрушение беговой дорожки подшипника. Благодаря такой идентификации будет получено предупреждение о необходимости проведения ТО по окончании полета. САУ FADEC будет содержать дополнительную электронную плату, названную «персональная плата» (Personality Board). Ее отличительными чертами являются шина данных, соответствующая новому стандарту Эрбас (AFDX), и новые функции (контроль повышения частоты вращения, контроль тяги и др.). Кроме этого, новая плата расширит связь с устройством измерения вибраций, VMU (Vibration Measurment Unit), и электромеханической системой привода устройства реверсирования тяги, ETRAS (Electromechanical Thrust Reverser Actuation System).

2. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Сложным требованиям, предъявляемым к условиям функционирования сверхзвуковых многорежимных самолетов, в наибольшей степени удовлетворяют турбореактивные (ТРД) и двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД). Общим у этих двигателей является характер формирования свободной энергии, различие -в характере ее использования.

У одноконтурного двигателя (рис. 4) свободная энергия, которой располагает рабочее тело за турбиной, непосредственно преобразуется в кинетическую энергию вытекающей струи. У двухконтурного двигателя в кинетическую энергию вытекающей струи преобразуется лишь часть свободной энергии. Оставшаяся часть свободной энергии идет на повышение кинетической энергии дополнительной массы воздуха. Передача энергии дополнительной массе воздуха осуществляется турбиной и вентилятором.

Использование части свободной энергии для ускорения дополнительной массы воздуха при определенных значениях параметров рабочего процесса, а следовательно, и при определенном часовом расходе топлива позволяет повысить тягу двигателя и снизить удельный расход топлива .

Пусть расход воздуха ТРД будет а скорость истечения газа . У двухконтурного двигателя во внутреннем контуре расход воздуха тот же, что и у одноконтурного двигателя , а скорость истечения газа ; в наружном контуре соответственно и (см. рис. 4).

Будем полагать, что расход воздуха и скорость истечения газа одноконтурного двигателя , которая характеризует уровень свободной энергии, при каждом значении скорости полета имеют определенные значения.

Условия баланса мощности потоков в ТРД и ТРДД при отсутствии потерь в элементах газовоздушного тракта, обеспечивающие повышение кинетической энергии дополнительной массы воздуха, можно представить выражениями

Рис. 4. Двухконтурный и одноконтурный двигатели с единым турбокомпрессорным контуром [3]

(1)

(2)

В пояснение к последнему выражению заметим, что часть свободной энергии, передаваемая во внешний контур, повышает энергию потока от уровня которым обладает набегающий поток, до уровня .

Приравнивая правые части выражений (1) и (2), С учетом обозначений получим

, , . (3)

Тяга двухконтурного двигателя определяется выражением

(4)

Если выражение (3) разрешить относительно и результат подставить в выражение (4), то получим

. (5)

Максимальная тяга двигателя при данных значениях и т достигается при , что следует из решения уравнения .

Выражение (5) при приобретает вид

(6)

Наиболее простым выражение для тяги двигателя становится при

Это выражение показывает, что повышение степени двухконтурности приводит к монотонному возрастанию тяги двигателя. И, в частности, можно видеть, что переход от одноконтурного двигателя (т = 0) к двухконтурному двигателю с т = 3 сопровождается увеличением тяги в два раза. А поскольку расход топлива в газогенераторе остается при этом неизменным, то удельный расход топлива уменьшается также в два раза. Но удельная тяга двухконтурного двигателя ниже, чем у одноконтурного. При V = 0 удельная тяга определяется выражением

которое свидетельствует, что при увеличении т удельная тяга уменьшается.

Одним из признаков различия схем двухконтурных двигателей является характер взаимодействия потоков внутреннего и наружного контуров.

Двухконтурный двигатель, у которого поток газа внутреннего контура смешивается с потоком воздуха за вентилятором - потоком наружного контура, - называется двухконтурным двигателем со смешением потоков.

Двухконтурный двигатель, у которого указанные потоки вытекают из двигателя раздельно, называется двухконтурным двигателем с раздельными контурами.

2.1 Газодинамическая характеристика газотурбинных двигателей

Выходные параметры двигателя - тяга Р, удельная тяга Р_уд и удельный расход топлива С_уд - всецело определяются параметрами его рабочего процесса, которые у каждого типа двигателя находятся в определенной зависимости от условий полета и параметра, определяющего режим работы двигателя.

Параметрами рабочего процесса являются: температура воздуха на входе в двигатель T_в*, степень повышения полного давления воздуха в компрессоре, степень двухконтурности т, температура газа перед турбиной , скорость потока в характерных сечениях газовоздушного тракта, коэффициенты полезного действия отдельных его элементов и т.д.

Условия полета характеризуются температурой и давлением невозмущенного потока Т_н и Р_н, а также скоростью V (или приведенной скоростью л_н, или числом М) полета.

Параметры Т_н и V (М или л_н) , характеризующие условия полета, определяют и параметр рабочего процесса двигателя Т_в*.

Потребная тяга двигателя, установленного на самолете, определяется характеристиками планера, условиями и характером полета. Так, в горизонтальном установившемся полете тяга двигателя должна в точности равняться аэродинамическому сопротивлению самолета Р = Q; при разгоне как в горизонтальной плоскости, так и с набором высоты, тяга должна превышать сопротивление

и чем выше потребные величины ускорения и угла набора высоты , тем выше потребная величина тяги. Потребная тяга возрастает также при увеличении перегрузки (или угла крена) при совершении виража.

Предельные значения тяги обеспечиваются максимальным режимом работы двигателя. Тяга и удельный расход топлива на этом режиме зависят от высоты и скорости полета и обычно соответствуют предельным по условиям прочности значениям таких параметров рабочего процесса как температура газа перед турбиной, частота вращения ротора двигателя и температура газа в форсажной камере.

Режимы работы двигателя, на которых тяга ниже максимальной, называются дроссельными режимами. Дросселирование двигателя - снижение тяги осуществляется уменьшением теплоподвода.

Газодинамические особенности газотурбинного двигателя определяются значениями расчетных параметров, характеристиками элементов и программой управления двигателем.

Под расчетными параметрами двигателя будем понимать основные параметры рабочего процесса на максимальных режимах при определенной для данного двигателя температуре воздуха на входе в двигатель = .

Основные элементы газовоздушного тракта различных схем двигателей - это компрессор, камера сгорания, турбина и выходное сопло.

Характеристики компрессора (каскадов компрессора) (рис. 5) определяются

Рис. 5. Характеристики компрессора: а-а - граница устойчивости; в-в - линия запирания на выходе из компрессора; с-с - линия рабочих режимов [3]

зависимостью степени повышения полного давления воздуха в компрессоре от относительной плотности тока на входе в компрессор и приведенной частоты вращения ротора компрессора, а также зависимостью коэффициента полезного действия от степени повышения полного давления воздуха иприведенной частоты ротора компрессора:

. (7)

Приведенный расход воздуха связан с относительной плотностью тока q(л_в) выражением

(8)

где -- площадь проточной части входного сечения компрессора, она редставляет собой величину расхода воздуха при стандартных атмосферных условиях на земле = 288 К, = 101325 Н/м². По величине ._пр расход воздуха при известных значениях полного давления и температуры торможения Т* вычисляется по формуле

(9)

Последовательность рабочих точек, определяемых условиями совместной работы элементов двигателя на различных установившихся режимах работы, образует линию рабочих режимов . Важной эксплуатационной характеристикой двигателя является запас устойчивости компрессора в точках линии рабочих режимов, который определяется выражением

(10)

Индексу "гр" соответствуют параметры границы устойчивой работы компрессора при том же значении n_пр, что и в точке линии рабочих режимов.

Камеру сгорания будем характеризовать коэффициентом полноты сгорания топлива и коэффициентом полного давления .

Полное давление газа в камере сгорания падает из-за наличия гидравлических потерь, характеризуемых коэффициентом полного давления _г, и потерь, вызванных подводом теплоты. Последние характеризуются коэффициентом . Общие потери полного давления определяются произведением

. (11)

Как гидравлические потери, так и потери, вызванные подводом теплоты, увеличиваются при повышении скорости потока на входе в камеру сгорания. Потери полного давления потока, вызванные подводом теплоты, увеличиваются также по мере увеличения степени-подогрева газа, определяемого отношением значений температуры потока на выходе из камеры сгорания и на входе в нее

/.

Увеличение степени подогрева и скорости потока на входе в камеру сгорания сопровождается повышением скорости газа в конце камеры сгорания, и в случае приближения скорости газа к скорости звука происходит газодинамическое "запирание" канала. При газодинамическом "запирании" канала дальнейшее повышение температуры газа без уменьшения скорости на входе в камеру сгорания становится невозможным.

Характеристики турбины определяются зависимостями относительной плотности тока в критическом сечении соплового аппарата первой ступени q(л_{с а}) и коэффициента полезного действия турбины от степени понижения полного давления газа в турбине, приведенной частоты вращения ротора турбины и площади критического сечения соплового аппарата первой ступени:

Реактивные сопло характеризуется диапазоном изменения площадей критического и выходного сечений и коэффициентом скорости .

На выходные параметры двигателя существенное влияние оказывает также характеристика воздухозаборника, который является элементом силовой установки самолета. Характеристика воздухозаборника представлена коэффициентом полного давления

где - полное давление невозмущенного потока воздуха; - полное давление потока воздуха у входа в компрессор.

Каждый тип двигателя имеет, таким образом, определенные размеры характерных сечений и характеристики его элементов. Кроме того, двигатель имеет определенное число управляющих факторов и ограничения по значениям параметров его рабочего процесса. Если число управляющих факторов выше единицы, то некоторым условиям полета и режиму работы в принципе может соответствовать ограниченная область значении параметров рабочего процесса. Из всей этой области возможных значении параметров рабочего процесса целесообразным будет лишь одно сочетание параметров: на максимальном режиме -- то сочетание, которое обеспечивает максимальную тягу, а на дроссельном режиме -- которое обеспечивает минимальный расход топлива при определяющем данный режим значении тяги. При этом необходимо иметь в виду, что число независимо управляемых параметров рабочего процесса - параметров, на основе количественных показателей которых производится управление рабочим процессом двигателя (или кратко - управление двигателем), равно числу управляющих факторов двигателя. И определенным значениям этих параметров соответствуют определенные значения остальных параметров.

Зависимость управляемых параметров от условий полета и режима работы двигателя определяется программой управления двигателем и обеспечивается системой автоматического управления (САУ).

Условия полета, оказывающие влияние на работу двигателя, наиболее полно характеризуются параметром , который является и параметром рабочего процесса двигателя. Поэтому под программой управления двигателем понимается зависимость управляемых параметров рабочего процесса или состояния управляемых элементов двигателя от температуры торможения воздуха на входе в двигатель и одного из параметров, определяющих режим работы - температуры газа перед турбиной , частоты вращения ротора одного из каскадов или тяги двигателя Р.

2.2 Управление двигателем

Двигатель с неизменяемой геометрией имеет лишь один управляющий фактор - величину теплоподвода.

Рис. 6. Линия рабочих режимов на характеристике компрессора [3]

В качестве управляемого параметра, непосредственно определяемого величиной теплоподвода, могут служить параметры либо либо . Но, посколько параметр является независимым, то в качестве управляемого параметра могут быть связанные с , и параметры и приведенная частота вращения

(12)

Причем в различных областях значений в качестве управляемого параметра могут использоваться различные параметры.

Различие возможных программ управления двигателем с неизменяемой геометрией обусловлено различием в допустимых значениях параметров , и на максимальных режимах.

Если при изменении температуры воздуха на входе в двигатель потребовать, чтобы температура газа перед турбиной на максимальных режимах не изменялась, то будем иметь программу управления . Относительная температура при этом будет изменяться в соответствии с выражением .

На рис. 6 показано, что каждому значению вдоль линии рабочих режимов соответствуют определенные значения параметров и . (На рис. 6) показано также, что при < 1, а это может быть в случае < ; величина приведенной частоты вращения превосходит единицу. При увеличении свыше единицы КПД компрессора существенно снижается, поэтому работа в этой области значений обычно не допускается, для чего вводится ограничение ? 1. В таком случае при< независимо управляемым параметром является . На максимальных режимах программа управления определяется условием = 1.

Для обеспечения работы при = 1 необходимо, чтобы величина относительной температуры была =1, что в соответствии с выражением

Размещено на http://www.allbest.ru/

равнозначно условию . Следовательно, при уменьшении ниже величина должна уменьшаться. На основании выражения (12) будет уменьшаться также и частота вращения . Параметры при этом будут соответствовать расчетным значениям.

В области при условии = const величина параметра при увеличении может изменяться по-разному -- она может и возрастать, и уменьшаться, и оставаться неизменной, что зависит от расчетной степени

повышения полного давления воздуха в компрессоре и характера управления компрессором. Когда программа = const приводит к увеличению по мере возрастания , а по условиям прочности повышение частоты вращения недопустимо, используется программа Температура газа перед турбиной при возрастании будет в этих случаях, естественно, уменьшаться.

В качестве управляющего сигнала в системе автоматического управления двигателя при обеспечении программ и служат ветчины этих параметров. При обеспечении программы = const в качестве управляющего сигнала может служить -- величина или меньшая величина ,которая при = const и = const в соответствии с выражением

однозначно определяет величину Использование величины в качестве управляющего сигнала может быть обусловлено ограничением рабочей температуры чувствительных элементов термопары.

Для обеспечения программы управления = const можно также воспользоваться программным управлением по параметру , величина которого будет функцией от (рис. 7) .

Рассмотренные программы управления в целом являются комбинированными. При двигатель работает на подобных режимах, в которых все параметры, определяемые относительными величинами, неизменны. Это -- величины приведенной скорости потока во всех сечениях проточной части ГТД, приведенная температура, степень повышения полного давления воздуха в компрессоре. Величина, которой соответствуют расчетные значения и и которая разделяет два условия программы управления, во многих случаях соответствует стандартным атмосферным условиям у земли = 288 К. Но в зависимости от назначения двигателя величина может быть и меньше, и больше .

Для двигателей высотных дозвуковых летательных аппаратов может оказаться целесообразным назначить < 288 К. Так, для того чтобы обеспечить работу двигателя в условиях М = 0,8; Н ? 11 км при =, необходимо = 244 К. Тогда при = 288 К относительная
температура будет = 1,18 и двигатель на максимальном режиме будет
работать при < 1. Расход воздуха на взлете у такого двигателя ниже

(кривая 1, рис. 7) , чем у двигателя с (кривая 0).

У двигателя, предназначенного для высотного скоростного самолета, может оказаться целесообразным назначить (кривая 2). Расход воздуха и степень повышения полного давления воздуха в компрессоре у такого двигателя при > 288 К выше, чем у двигателя с = 288 К Но температура газа перед



Рис. 7. Зависимость основных параметров рабочего процесса двигателя: а - с неизменяемой геометрией от температуры воздуха на входе в компрессор, б - с неизменяемой геометрией от расчетной температуры воздуха [3]

турбиной достигает максимального значения в этом случае при более высоких значениях и соответственно при более высоких числах М полета. Так, у двигателя с = 288 К максимально допустимая температура газа перед турбиной у земли может быть при М ? 0, а на высотах Н ? 11 км -- при М ? 1,286. Если двигатель работает на подобных режимах, например до = 328 К, то максимальная температура газа перед турбиной у земли будет при М ? 0,8, а на высотах Н ? 11 км - при М ? 1,6; на взлетном режиме температура газа будет = 288/328

Для того чтобы работать при до = 328 К, частоту вращения по сравнению с взлетной необходимо увеличить в = 1,07 раз.

Выбор > 288 К может быть обусловлен также необходимостью поддержания потребной величины взлетной тяги при повышенных значениях температуры воздуха.

Таким образом, повышение расхода воздуха при > путем увеличения обеспечивается за счет повышения частоты вращения ротора двигателя и снижения удельной тяги на взлетном режиме вследствие снижения .

Как видно, величина оказывает существенное влияние на параметры рабочего процесса двигателя и его выходных параметров и наряду с , является, таким образом, расчетным параметром двигателя.

3. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА

3.1 Главный регулятор расхода топлива и электронные регуляторы

3.1.1 Главный регулятор расхода топлива

Главный регулятор расхода топлива - это агрегат с приводом от двигателя, управляемый механически, гидравлически, электрически или пневматически в различных комбинациях. Целью системы управления топливом является поддержания необходимого соотношения воздух-топливо в топливо - воздушной систем по весу в зоне горения приблизительно равного 15:1. Это соотношение представляет отношение веса первичного воздуха поступающего в камеру сгорания к весу топлива. Иногда используется соотношение топливо-воздух равное 0,067:1. Все топлива требуют определенного количества воздуха для полного сгорания, т.е. богатая или бедная смесь будет сгорать, но не полностью. Идеальной пропорцией для воздуха и реактивного топлива является 15:1, и она называется стехиометрической (химически правильной) смесью. Очень часто можно встретить соотношение воздуха и топлива 60:1. Когда это происходит, автор представляет отношение воздуха к топливу, руководствуясь общим расходом воздуха, а не первичным потоком воздуха поступающего в камеру сгорания. Если первичный поток составляет 25% от общего расхода воздуха, тогда отношение 15:1 составляет 25% от отношения 60:1. В авиационных ГТД происходит переход от богатой смеси к бедной с отношениями 10:1 на разгоне и 22:1 при замедлении. Если двигатель потребляет в зоне горения 25% от общего расхода воздуха, соотношения будут следующие: 48:1 на разгоне и 80:1 при замедлении.

Когда пилот перемещает рычаг управления подачей топлива (РУД) вперед, расход топлива увеличивается. Увеличение расхода топлива влечет за собой увеличение расхода газа в камере сгорания, которое, в свою очередь, повышает уровень мощности двигателя. В ТРД и турбовентиляторных (ТРДД) двигателях это вызывает прирост тяги. В ТВД и турбовальных двигателях это повлечет увеличение выходной мощности ведущего вала. Скорость вращения винта будет либо возрастать, либо оставаться неизменной при увеличивающемся шаге винта (угле установки его лопастей). На рис. 8. представлена диаграмма соотношения компонентов топливо-воздушной систем для типичного авиационного ГТД. На диаграмме указаны соотношение воздух-топливо и частота вращения ротора высокого давления, как ее воспринимает устройство управления расходом топлива с помощью центробежных грузов, регулятора частоты вращения ротора высокого давления.

Рис. 8. Рабочая диаграмма топлива - воздуха [4]

На режиме малого газа 20 частей воздуха в смеси находится на линии статического (устойчивого) состояния, а 15 частей входят в диапазон от 90 до 100% частоты вращения ротора ВД.

По мере выработки ресурса двигателем соотношение воздух-топливо 15:1 будет меняться по мере снижения (ухудшения) эффективности процесса сжатия воздуха. Но для двигателя важно, чтобы оставалась требуемая степень повышения давления, и не возникало срывов потока. Когда степень повышения давления начинает снижаться вследствие выработки двигателем ресурса, загрязнения или повреждения, чтобы восстановить требуемое нормальное значение, увеличивают режим работы, расход топлива и частоту вращения вала компрессора. В результате в камере сгорания получается более богатая смесь. Позже обслуживающий персонал может провести требуемые очистку, ремонт, замену компрессора или турбины, если температура приближается к предельной, (все двигатели имеют свои температурные пределы).

У двигателей с однокаскадным компрессором привод главного регулятора расхода топлива осуществляется от ротора компрессора через коробку приводов. У двух- и трехкаскадных двигателей привод главного регулятора расхода топлива организован от компрессора высокого давления.

3.1.2 Электронные регуляторы

Для автоматического управления соотношением воздух-топливо в систему управления двигателем посылается множество сигналов. Количество этих сигналов зависит от типа двигателя и наличия в его конструкции электронных систем управления. Двигатели последних поколений имеют электронные регуляторы, воспринимающие намного большее число параметров двигателя и самолета, чем гидромеханические устройства двигателей предыдущих поколений.

Ниже приведен список наиболее распространенных сигналов, посылаемых гидромеханической системе управления двигателем:

1. Частота вращения ротора двигателя (N_c) - передаётся системе управления двигателем напрямую от коробки приводов через центробежный топливный регулятор; используется для дозировки топлива, как на установившихся режимах работы двигателя, так и во время разгона/замедления (время разгона большинства авиационных ГТД от малого газа до максимального режима составляет 5…10 с);

2. Давление на входе в двигатель (р_t2) - сигнал полного давления, передаваемый на сильфоны управления топливом от датчика, установленного на входе в двигатель. Этот параметр используется для передачи информации о скорости и высоте полета воздушного судна при изменении условий окружающей среды на входе в двигатель;

3. Давление на выходе из компрессора (р_s4) - статическое давление, передаваемое сильфону гидромеханической системы; используется для учета массового расхода воздуха на выходе из компрессора;

4. Давление в камере сгорания (р_b) - сигнал статического давления для системы управления расходом топлива, используется прямая пропорциональная зависимость между давлением в камере сгорания и весовым расходом воздуха в данной точке двигателя. Если давление в камере сгорания возрастает на 10%, массовый расход воздуха увеличивается на 10%, и сильфоны в камере сгорания будут задавать программу увеличения расхода топлива на 10% для поддержания правильного соотношения "воздух - топливо". Быстрое реагирование на этот сигнал позволяет избежать срывов потока, пламени и заброса температуры;

5. Температура на входе (t_t2) - сигнал полной температуры на входе в двигатель для системы управления расходом топлива. Температурный датчик соединен с системой управления расходом топлива с помощью трубки, которые расширяются и сжимаются в зависимости от температуры воздуха на входе в двигатель. Этот сигнал обеспечивает систему управления двигателем информацией о значении плотности воздуха, на основе которой может быть установлена программа дозировки топлива.

3.2 Упрощенная схема управления расходом топлива (гидромеханическое устройство)

На рис. 9 изображена упрощенная схема системы управления авиационным ГТД. Она дозирует топливо по следующему принципу:

Измерительная часть: перемещение рычага отсечки топлива (10) перед циклом запуска открывает клапан отсечки и позволяет топливу поступать в двигатель (рис. 9.). Рычаг отсечки необходим, поскольку ограничитель минимального расхода (11) не позволяет главному распределительному клапану когда-либо полностью закрыться. Это конструктивное решение необходимо на случай поломки пружины настройки регулятора или неправильной регулировки стопора малого газа. Полное заднее положение РУДа соответствует позиции МГ рядом со стопором МГ. Это предотвращает РУД от выполнения функций отсечного рычага. Как показано на рисунке, отсечной рычаг также обеспечивает правильное повышение рабочего давления в системе управления топливом во время цикла запуска. Это необходимо для того, чтобы топливо грубой дозировки не попало в двигатель раньше расчетного времени.

Топливо из системы подачи под давлением главного топливного насоса (8) направляется в дроссельный кран (дозирующую иглу) (4). В то время как топливо проходит через отверстие, создаваемое конусом клапана, давление начинает падать. Топливо на пути от дроссельного крана до форсунок считается дозированным. Топливо в этом случае дозируется по весу, а не по объему т.к. теплотворная способность (массовая теплотворность) единицы массы топлива является величиной постоянным, несмотря на температуру топлива, в то время как теплотворная способность на единицу объема - нет. Топливо теперь поступает в камеру сгорания, имея корректную дозировку.

Принцип дозирования топлива по весу математически обосновывается следующим образом:



Рис. 9. Схема гидромеханического регулятора топлива [4]

. (13)

где: - вес израсходованного топлива, кГ/с;

- коэффициент расхода топлива;

- площадь пропускного сечения главного распределительного клапана;

- перепад давления на проходном отверстии.

При условии, когда необходима работа только одного двигателя и одного проходного отверстия распределительного клапана будет достаточно, не будет изменений в формуле, потому что падение давления остается величиной постоянной. Но двигатели ВС, должны изменять режимы работы.

При постоянно изменяющемся расхода топлива перепад давления на дозирующей игле сохраняется неизменным, несмотря на размера проходного сечения. Направляя дозированное топливо на пружину диафрагмы гидравлически управляемого дроссельного крана, перепад давлений всегда возвращается к значению величины натяжки пружины. Так как величина затяжки пружины является постоянной, перепад давлений на проходном сечении также будет постоянным.

Чтобы полнее осознать эту концепцию, предположим, что топливный насос всегда поставляет топливо в систему с избытком и редукционный клапан непрерывно возвращает избыток топлива на вход насоса.

ПРИМЕР: Давление недозированного топливо составляет 350 кГ/см²; давление дозированного топлива составляет 295 кГ/см²; величина затяжки пружины - 56 кГ/см². В этом случае давление по обеим сторонам диафрагмы редукционного клапана составляет 350 кГ/см². Дроссельный кран будет находиться в равновесном состоянии, и перепускать избыточное топливо на входе насоса.

Если пилот перемещает РУД вперед, проходное отверстие дроссельного крана будет увеличиваться, как и поток дозированного топлива. Представим, что давление дозированного топлива увеличилось до 300 кГ/см². Это вызвало общее повышение давление до 360 кГ/см²; с обеих сторон диафрагмы клапана, принуждая клапан закрываться. Уменьшившееся количество перепускаемого топлива повлечет рост давление недозированного топлива пока для новой площади пропускного сечения 56 кГ/см²; не будут переустановлены. Это произойдет, потому что возросшая частота вращения повлечет увеличение расхода топлива через насос. Как упоминалось ранее, перепад давлений ДP будет всегда соответствовать затяжке пружины редукционного клапана с наступлением равновесия в системе.