Эксплуатация автоматических систем управления современных авиационных газотурбинных двигателей

Вычислительная часть. Во время работы двигателя перемещение РУДа (1) вызывает смещение вниз скользящей крышки пружины вдоль тяги сервоклапана и обжатие пружины настройки. При этом база пружины заставляет центробежные грузы сходиться, как при условии низкой скорости вращения ротора турбокомпрессора. Функцией сервоклапана является предотвращение резкого перемещения дозирующая игла, когда жидкость внутри него смещается снизу вверх. Допустим, что множительный рычажный механизм (3) остается неподвижным в это время, тогда ползун сместится вниз по наклонной плоскости и влево. Двигаясь влево, ползун давит на распределительный клапан против силы затяжки его пружины, увеличивая расход топлива двигателя. С увеличением расхода топлива частота вращения ротора двигателя возрастает, увеличивая частоту вращения привода регулятора (5). Новое усилие от вращения центробежных грузов придет в равновесие с силой пружины настройки, когда центробежные грузы примут вертикальное положение. Теперь грузы находятся в позиции готовности к изменению скорости.

Центробежные грузики всегда возвращаются в вертикальное положение, чтобы быть готовыми к следующим изменениям загрузки:

а) Условия превышения скорости:

- нагрузка на двигатель уменьшается, и он набирает скорость;

- центробежные грузы расходятся, перекрывая подачу некоторого количества топлива;

- двигатель возвращается к расчетной частоте вращения. Когда центробежные грузы принимают вертикальное положение, сила их действия на пружину уравновешивается величиной затяжки пружины.

б) Условия недобора скорости:

- нагрузка на двигатель увеличивается, и обороты начинают падать;

- центробежные грузы сходятся, увеличивая расход топлива;

- двигатель возвращается к расчетной частоте вращения. Когда центробежные грузы принимают вертикальное положение, сила их действия на пружину уравновешивается величиной затяжки пружины.

в) Перемещение РУДа (вперед):

- пружина настройки сжата и центробежные грузы сходятся в условиях ложного недобора скорости;

- расход топлива увеличивается, и грузики начинают расходиться, принимая равновесное положение с новой силой затяжки пружины.

Примечание: центробежные грузы не примут первоначальное положение пока РУД не настроен, потому что пружина настройки теперь имеет большую силу затяжки. Это называется статической ошибкой регулятора и определяется небольшой потерей оборотов из-за механизмов системы регулирования.

На многих двигателях статическое давление в камере сгорания является полезным показателем массового расхода воздуха. Если известен массовый расход воздуха, отношение воздух - топливо может контролироваться более точно. С увеличением давления в камере сгорания (р_b), сильфон, воспринимающий его, расширяется вправо. Избыточное перемещение ограничивается ограничителем давления в камере сгорания (6). Если принять, что тяга сервоклапана остается неподвижной, множительный рычажный механизм сместит ползун влево, открывая распределительный клапан для большего расхода топлива в соответствии с увеличившимся массовым расходом воздуха. Это может произойти во время пикирования, которое вызовет увеличение скорости, скоростного напора и массового расхода воздуха.

Увеличение давления на входе вызовет расширение сильфона (7), воспринимающего это давление, множительный рычажный механизм сместится влево и распределительный клапан откроется больше.

Когда двигатель остановлен, пружина настройки расширяется в двух направлениях, заставляя скользящую крышку подняться к стопору малого газа и отталкивая главный распределительный клапан от ограничителя минимального расхода топлива. Когда двигатель запущен в следующий раз и приближается к оборотам малого газа, центробежные грузы регулятора поддерживают скользящую крышку на стопоре малого газа и также перемещают распределительный клапан к ограничителю минимального расхода.

3.3 Гидропневматические системы управления топливом, ТВД PT6 (топливная система Бендикс)

Базовая топливная система состоит из насоса с приводом от двигателя, гидромеханического регулятора подачи топлива, блока управления запуском, двойного топливного коллектора с 14 односторонними (с одним отверстием) топливными форсунками. Два дренажных клапана, находящиеся в корпусе газогенератора обеспечивают дренаж остаточного топлива после останова двигателя (рис. 10).

3.3.1 Топливный насос

Топливный насос 1 - это шестеренный насос объемной подачи с приводом от коробки приводов. Топливо из подкачивающего насоса поступает в топливный насос через входной фильтр 2 на 74 микрона (200 отверстий) и далее в рабочую камеру. Оттуда топливо с высоким давлением направляется в гидромеханический регулятор подачи топлива через выходной фильтр насоса 3 на 10 мк. Если фильтр засорится, возросший перепад давлений преодолеет силу затяжки пружины, поднимет предохранительный клапан с седла и позволит нефильтрованному топливу проходить дальше. предохранительный клапан 4 и центральный канал насоса пропускают нефильтрованное топливо с высоким давлением от шестерней насоса к регулятору подачи топлива, когда заблокирован выходной фильтр. Внутренний канал 5, берущий начало в блоке управления топливом, возвращает перепускное топливо из блока управления топливом на вход насоса, минуя входной фильтр.

3.3.2 Система управления расходом топлива

Система управления топливом состоит из трех отдельных частей с независимыми функциями: гидромеханического регулятора подачи топлива (6), который определяет программу подачи топлива в двигатель на установившийся режиме и при разгоне; блока управления расходом при запуске, действующего как распределитель потока, который направляет дозированное топливо с выхода гидромеханического регулятора к главному топливному коллектору или к первичному и вторичному коллекторам в зависимости от необходимости. Управление воздушным винтом на прямой и обратной тяге осуществляется блоком регулятора, который состоит из секции нормального регулятора воздушного винта (на рис. 10.) и ограничителя максимального частот вращения турбина высокого давления. ограничителя максимального частот вращения турбина высокого давления обеспечивает защиту турбины от заброса оборотов во время нормальной работы. Во время реверсирования тяги регулятор воздушного винта не функционирует и управление скоростью турбины выполняет регулятор турбины высокого давления.

3.3.3 Гидромеханический регулятор подачи топлива

Гидромеханический регулятор подачи топлива установлен на насосе с приводом от двигателя и вращается со скоростью, пропорциональной скорости вращения ротора низкого давления. Гидромеханический регулятор подачи топлива определяет программу подачи топлива в двигатель для создания требуемой мощности и для управления частотой вращения ротора низкого давления. Мощность двигателя напрямую зависит от частоты вращения ротора низкого давления. Гидромеханический регулятор управляет этой частотой и, тем самым, мощностью двигателя. Управление частотой вращения ротора низкого давления осуществляется путем регулирования количества топлива, подаваемого в камеру сгорания.

Измерительная часть. В гидромеханический регулятор топливо поступает под давлением р₁, создаваемым насосом. Расход топлива задается главным дроссельным краном (9) и дозирующую иглу (10). Недозированное топливо под давлением р₁ от насоса подается на вход распределительного клапана. Давление топлива сразу же после распределительного клапана называется давлением дозированного топлива (р₂). Дроссельный кран поддерживает постоянный перепад давлений (р₁ - р₂) на распределительном клапане. Площадь пропускного сечения, дозирующая игла будет изменяться, чтобы удовлетворить особые требования двигателя. Избыток топлива относительно этих требований с выхода топливного насоса будет сливаться через отверстия внутри гидромеханического регулятора и насоса на вход входного фильтра (5). Дозирующая игла состоит из золотника, работающего в полой гильзе. Клапан приводится в действие с помощью диафрагмы и пружины. При работе сила пружины уравновешивается перепадом давлений (р₁-р₂) на диафрагме. Перепускной клапан будет всегда в позиции, обеспечивающей поддержание перепада давлений (р₁-р₂) и для перепуска избыточного топлива.

Предохранительный клапан установлен параллельно перепускному клапану для предотвращения повышения избыточного давления р₁ в гидромеханическом регуляторе. Клапан подпружинен на закрытие и остается закрытым, пока давление р₁ топлива на входе не превысит силу затяжки пружины и не откроет клапан. Клапан закроется как только входное давление уменьшится.

Дроссельный кран 9 состоит из профилированной иглы, работающей в гильзе. Дроссельный кран регулирует расход топлива с помощью изменения площади проходного сечения. Расход топлива является только функцией положения Дозирующая игла, потому что Дроссельный кран поддерживает постоянный перепад давления на проходном сечении независимо от разницы давлений топлива на входе и на выходе.

Компенсацию изменения удельного веса из-за изменений температуры топлива осуществляют биметаллические тарелка под пружиной дроссельный кран.

Пневматическая вычислительная часть. РУД соединен с программным кулачком скорости, который ослабляет внутреннюю тягу с увеличением мощности. Рычаг регулятора вращается вокруг оси и один его конец располагается напротив отверстия, образуя клапан регулятора 13. Рычаг обогащения 14 вращается на одной оси с рычагом регулятора и имеет два удлинения, которые охватывают часть рычага регулятора таким образом, что после некоторого движения зазор между ними закрывается, и оба рычага перемещаются вместе. Рычаг обогащения приводит в движение палец с канавкой, который работает против клапана обогащения. Другая меньшая пружина соединяет рычаг обогащения с рычагом регулятора.

Программный кулачок скорости направляет силу натяжения пружины настройки 15 через промежуточный рычаг, который в свою очередь, передает усилие на закрытие клапана регулятора. Пружина обогащения 16, которая находится между рычагами обогащения и регулятора создает усилие для открытия клапана обогащения.

Во время вращения ведущего вала вращается узел, на котором смонтированы центробежные грузы регулятора. Маленькие рычаги на внутренней стороне грузов соприкасаются с золотником регулятора. С увеличением частоты вращения ротора низкого давления центробежная сила вынуждает грузики оказывать большую нагрузку на золотник. Это заставляет золотник передвигаться по валу наружу, воздействуя на рычаг обогащения. Сила со стороны центробежных грузов преодолевает затяжку пружины, клапан регулятора открывается, а клапан обогащения закрывается.

Клапан обогащения начинает закрываться при любом увеличении частоты вращения ротора низкого давления, достаточном для преодоления центробежными грузами силы затяжки меньшей пружины. Если частота вращения ротора низкого давления продолжает увеличиваться, рычаг обогащения будет продолжать движение, пока не соприкоснется с рычагом регулятора, в этот момент клапан обогащения будет полностью закрыт. Клапан регулятора будет открыт, если частота вращения ротора низкого давления возрастет настолько, чтобы сила тяжести преодолела силу затяжки большей пружины. В этом случае клапан регулятора будет открыт, а клапан обогащения будет закрыт. Клапан обогащения закрывается с увеличением частоты вращения для сохранения рабочего давления воздуха постоянным.

Сильфон. Узел сильфона, рис. 11 состоит из вакуумного сильфона (18) и сильфона регулятора (19), соединенных общей тягой. Вакуумный сильфон обеспечивает измерение полное давление, Сильфон регулятора заключен в корпус узла сильфона и выполняет ту же функцию, что и диафрагма. Перемещение сильфона передается на распределительный клапан 9 перекрестным валом и соответствующими рычагами 20.

Трубка закреплена в литом корпусе с противоположного конца с помощью регулировочной втулки. Поэтому любое вращательное движение перекрестного вала вызовет увеличение или уменьшение силы в торсионе, (трубовидная деталь с высоким сопротивлением кручению). Торсион формирует уплотнение между воздушной и топливной секциями системы. Торсион расположена вдоль узла сильфона для передачи усилия на закрытие распределительного клапана. Сильфон действует против этой силы, чтобы открыть распределительный клапан. Давление р_y подается снаружи на сильфон регулятора. Давление р_x подается изнутри в сильфон регулятора и снаружи вакуумного сильфона.

Для наглядности функционального назначения сильфона регулятора он обозначен на рис. 11 как диафрагма. Давление р_y подается с одной стороны диафрагмы, а р_x с противоположной. Давление р_x также подается на вакуумный сильфон, присоединенный к диафрагме. Нагрузка от давления р_x, действующая противоположно вакуумному сильфону, гасится приложением равного давления в ту же зону диафрагмы но с противоположным направлением.

Все нагрузки от давлений, действующие на часть сильфона могут быть сведены к силам, действующим только на диафрагму. Этими силами являются:

- давление P_y, действующее на всю поверхность верхней части;

- внутреннее давление вакуумного сильфона, действующее на участок нижней поверхности (внутри площади гашения давления);

- давление р_x, действующее на оставшуюся часть поверхности.

Любое изменение давления р_y вызовет большее воздействие на диафрагму, чем такое же изменение давления р_x из-за разницы в площадях воздействия.

Давления р_x и р_y изменяются с изменением условий работы двигателей. Когда оба давления увеличиваются одновременно, например, при разгоне, движение сильфонов вниз вызовет перемещение распределительного клапана влево, в направлении открытия. Когда р_y разгружает клапан регулятора, при достижении желаемой частоты

вращения ротора низкого давления (для регулировки после разгона), сильфон будет двигаться вверх для уменьшения площади проходного сечения распределительного клапана.

Когда оба давления одновременно понижаются, сильфон смещается вверх, уменьшая проходное сечение распределительного клапана, потому что вакуумный сильфон в этом случае действует как пружина. Это происходит во время замедления, когда давление р_у разгружает клапан регулятора, а давление р_х - клапан обогащения, вынуждая распределительный клапан смещаться к ограничителю минимального расхода.

Рис. 10. Гидропневматическая система управления топливом ТВД РТ6

Рис. 11. Функциональная диафрагма блока сильфона [4]

Регулятор турбины высокого давления (N₂). Блок регулятора частоты вращения ротора высокого давления N₂ является частью регулятора частоты вращения воздушного винта. Он воспринимает давление р_у по внутренней пневматической линии 21, идущей от корпуса блока управления топливом к регулятору. В случае заброса оборотов турбины высокого давления под действием центробежных грузов откроется отверстие для перепуска воздуха (22) в блоке регулятора (N₂) для стравливания давления р_у через регулятор. Когда это происходит, давление р_у действует через сильфон системы управления топливом на распределительный клапан так, что он начинает закрываться, уменьшая расход топлива. Уменьшение расхода топлива снижает частоту вращения роторов низкого и высокого давления. Скорость, при которой открывается перепускное отверстие, зависит от параметров настройки рычага управления регулятора винта (22) и возвратного рычага высокого давления 24. Частота вращения турбины высокого давления и частота вращения воздушного винта ограничиваются регулятором N₂.

Блок управления запуском. Блок управления запуском (7)(рис. 12) состоит из корпуса, содержащего полый плунжер (25), работающий внутри полго корпуса. Вращательное движение качалки командного штока 26 преобразуется в линейное перемещение плунжера с помощью механизма реечной передачи. Наладочные пазы обеспечивают рабочие позиции в 45° и 72°. Одна из этих позиций, в зависимости от установки, используется для настройки системы с рычагом в кабине.

Клапан минимального давления (27) находящийся на входе блока управления запуском, поддерживает минимальное давление в блоке для обеспечения расчетной дозировки топлива. К сдвоенным коллекторам, имеющим внутреннюю связь через перепускной клапан (28), подходят два соединения. Этот клапан обеспечивает первоначальное заполнение главного коллектора №1 для запуска и, если давление в блоке будет увеличиваться, перепускной клапан откроется, пропуская топливо во вторичный коллектор №2.

Когда рычаг находится в позиции выключения и разгрузки (0є) (рис. 13, а), подача топлива в оба коллектора блокируется. В это время дренажные отверстия (через отверстие в плунжере) выстраиваются в ряд с «разгрузочным» отверстием и выпускают оставшееся в коллекторах топливо наружу. Это предотвращает закипание топлива и закоксовывание системы при поглощении тепла. Топливо, поступающее в блок управления запуском во время останова двигателя, направляется через перепускное отверстие на вход топливного насоса.

Когда рычаг находится в рабочей позиции (рис. 13, б), выходное отверстие коллектора №1 открыто, а перепускное отверстие заблокировано. Во время разгона двигателя расход топлива и давление в коллекторе будут увеличиваться, пока не откроется перепускной клапан и не станет наполняться коллектор №2. Когда коллектор №2 наполнен, общий расход топлива возрос на количество топлива, перепущенное в систему №2, и двигатель продолжает разгон до малого газа. Когда рычаг перемещен дальше рабочей позиции (45° или 72°) на максимальный упор (90є), блок управления запуском более не влияет на дозировку топлива в двигателе.

Работа системы управления расходом топлива для типичной установки. Работа системы управления топливом разделяется на:

1. Запуск двигателя. Цикл запуска двигателя инициируется перемещением РУДа в положение «малый газ» и рычага управления запуском в положение выключения. Зажигание и стартер включены и, при достижении требуемой частоты вращения ротора НД, рычаг управления запуском перемещается в рабочее положение. Успешное зажигание в нормальных условиях достигается, приблизительно, в течение 10 сек. После успешного зажигания двигатель разгоняется до режима малого газа.

Во время последовательности запуска распределительный клапан системы управления топливом находится в позиции малого расхода. Во время разгона увеличивается давление на выходе из компрессора (Р₃). Р_х и Р_у во время разгона возрастают одновременно (Р_х = Р_у). Увеличение давления воспринимается сильфоном 18, он вынуждает распределительный клапан открываться больше. При достижении ротором НД частоты вращения малого газа усилие от центробежных грузов начинает превосходить силу затяжки пружины регулятора и открывать клапан регулятора 13. Это создает перепад давлений (Р_y - Р_х), что заставляет распределительный клапан закрываться пока не будет достигнут требуемый для работы на малом газе расход топлива.

Любые отклонения частоты вращения ротора двигателя от выбранной (частота малого газа) будут восприниматься центробежными грузами регулятора, в результате усилие, действующее со стороны грузов будет либо увеличиваться, либо уменьшаться. Изменения в силе со стороны центробежных грузов вызовут перемещение клапана регулятора, что впоследствии выразится в изменении расхода топлива для восстановления точной частоты вращения.

Рис. 12. Блок управления запуска [4]

2. Разгон. При перемещении РУДа 12 дальше положения малого газа, увеличивается сила затяжки пружины регулятора. Эта сила преодолевает силу сопротивления со стороны центробежных грузов и перемещает рычаг, закрывая клапан регулятора и открывая клапан обогащения. Давления Р_х и Р_у сразу возрастают и вызывают перемещение распределительного клапана в направлении открытия. Разгон далее является функцией возрастания (Р_х= Р_у).

С увеличением расхода топлива ротор низкого давления будет разгоняться. При достижении им точки расчетной частоты вращения (приблизительно от 70 до 75%) усилие от центробежных грузов преодолевает сопротивление пружины клапана обогащения, и клапан начинает закрываться. Когда клапан обогащения начинает закрываться, давления Р_х и Р_у увеличиваются, вызывая увеличение скорости перемещения сильфона регулятора и распределительного клапана, обеспечивая увеличение частоты вращения в соответствии с программой подачи топлива при разгоне.

При увеличении частот вращения роторов НД и ВД, регулятор винта увеличивает шаг винта для управления работой ротора ВД на выбранной частоте и чтобы принять возросшую мощность как дополнительную тягу. Разгон завершается когда усилие от центробежных грузов снова преодолевает затяжку пружины регулятора и открывает клапан регулятора.

3. Регулировка. После завершения цикла разгона любое отклонение частоты вращения ротора двигателя от выбранной будет восприниматься центробежными грузами и выражаться в увеличении или уменьшении усилия воздействия со стороны грузов. Это изменение будет вынуждать клапан регулятора открываться или закрываться и далее будет выражаться в корректировке расхода топлива, необходимого для восстановления точной частоты вращения. Во время процесса регулировки клапан будет поддерживаться в регулировочной или «плавающей» позиции.

4. Высотная компенсация. В данной системе управления топливом высотная компенсация является автоматической, т.к. вакуумный сильфон 18 обеспечивает базовое значение абсолютного давления. Давление на выходе из компрессора Р₃ является мерой частоты вращения двигателя и плотности воздуха. Р_х пропорционально давлению на выходе из компрессора, оно будет уменьшаться с уменьшением плотности воздуха. Давление воспринимается вакуумным сильфоном, который работает на уменьшение расхода топлива.

5. Замедление. Когда РУД переходит на пониженную позицию, затяжка пружины регулятора уменьшается, позволяя клапану регулятора (13) открываться. Возникающее падение давления Р_у способствует перемещению распределительного клапана в положение закрытия до ограничителя минимального расхода. Этот ограничитель обеспечивает подачу достаточного количества топлива в двигатель для предотвращения срыва пламени. Двигатель будет продолжать замедление, пока сила воздействия со стороны центробежных грузов не снизится до величины, уравновешивающей силу затяжки пружины регулятора в новой регулировочной позиции.

Ограничение мощности турбины. Блок регулятора ротора ВД, являющегося частью регулятора воздушного винта, воспринимает давление Р_у по линии от блока управления топливом. Если происходит заброс оборотов турбины ВД, открывается перепускное отверстие блока регулятора для стравливания давления Р_у через регулятор винта. Понижение давления Р_у вызовет смещение распределительного клапана блока управления топливом в сторону закрытия, уменьшая расход топлива и частоту вращения газогенератора.

7. Останов двигателя. Двигатель останавливается при перемещении рычага блока управления запуском в позицию выключения. Это действие перемещает плунжер, управляемый вручную, в позицию выключения и разгрузки, полностью останавливает расход топлива и сброс остатков топлива из сдвоенного коллектора.

3.4 Система управления расходом топлива типа «Бендикс DP-L2» (гидропневматическое устройство)

Данный гидропневматический регулятор подачи топлива установлен на турбовентиляторном двигателе JT15D (рис. 13).

Топливо подается в регулятор от насоса под давлением (Р₁) на вход дозирующего клапана. Дозирующий клапан, объединенный с перепускным клапаном, необходим для задания расхода топлива. Топливо ниже по потоку сразу после распределительного клапана имеет давление Р₂. Перепускной клапан поддерживает постоянный перепад давлений (Р₁-Р₂).

Элементы/функции:

- входное топливо - поступает из топливного бака;

- фильтр - имеет грубую сетку, саморазгружающийся;

- шестеренный насос - подает топливо с давлением Р_1;

- фильтр - имеет сетку с малым шагом, (фильтр тонкой очисткой);

- предохранительный клапан - предотвращает повышение давления Р₁ избыточного топлива на выходе из насоса и помогает регулятору перепада давлений во время быстрого замедления;

- регулятор перепада давлений - гидравлический механизм, который перепускает лишнее топливо (Р₀) и удерживает постоянный перепад давлений (Р₁- Р₂) вокруг распределительного клапана.

- биметаллические диски температуры топлива - автоматически компенсируют изменения удельного веса изменением температуры топлива; могут быть отрегулированы вручную для других значений удельного веса топлива или применения других видов топлива;

- Дозирующий клапан - дозирует топливо с давлением Р₂ в топливные форсунки; позиционируется с помощью торсиона, соединяющей сильфон с дозирующую иглу;

- Ограничитель минимального расхода - предотвращает полное закрытие распределительного клапана во время замедления;

- Ограничитель максимального расхода - устанавливает максимальную частоту вращения ротора по предельному значению двигателя;

- блок сдвоенного сильфона - сильфон регулятора воспринимает давления Р_х и Р_у, позиционирует механическую передачи, изменяет программу подачи топлива и частоту вращения двигателя. Сильфон замедления расширяется до своего упора, когда давление Р_у уменьшается, для уменьшения частоты вращения двигателя;

- температурный датчик - биметаллические диски воспринимают температуру на входе в двигатель Т₂ для управления давлением сильфона Р_х;

- клапан обогащения - принимает давление компрессора Р_с и контролирует давления блока сдвоенного сильфона Р_х и Р_у; закрывается с увеличением частоты вращения для поддержания приблизительно одинакового рабочего давления;

- регулятор ротора ВД - центробежные грузы отжимаются под действием центробежной силы при повышении частоты вращения ротора; это изменяет давление Р_у;

- РУД - создает нагрузку для позиционирования регулятора.

Функция управления:

- Топливный насос подает недозированное топливо с давлением Р₁ в регулятор подачи.

- Давление Р падает вокруг проходного отверстия распределительного клапана таким же образом, как было описано ранее в упрощенной схеме гидромеханического регулятора подачи топлива (рис. 9). Давление Р₁ превращается в Р₂, которое подается в двигатель и влияет на работу редукционного клапана, который здесь называется регулятором перепада давлений.

- Топливо, перепускаемое обратно на вход насоса, маркируется как Р₀. Жиклер поддерживает давление Р₀ большим, чем давление топлива на входе в насос.

Рис. 13. Гидропневматический топливный регулятор Бендикс DP-L, установленный на турбовентиляторном двигателе Pratt & Whitney of Canada JT-15 [4]

- В пневматическую секцию подается давление с выхода компрессора Р_с. После изменения оно превращается в давления Р_х и Р_у, которые позиционируют главный распределительный клапан.

- Топливо, перепускаемое обратно на вход насоса, маркируется как Р₀. Жиклер поддерживает давление Р₀ большим, чем давление топлива на входе в насос.

- В пневматическую секцию подается давление с выхода компрессора Р_с. После изменения оно превращается в давления Р_х и Р_у, которые позиционируют главный распределительный клапан.

- Когда РУД перемещен вперед:

а) центробежные грузы сходятся, и сила затяжки пружины настройки оказывается больше сопротивления грузов;

б) клапан регулятора прекращает перепуск Р_у;

в) клапан обогащения начинает закрываться, уменьшая Р_с (при закрытом клапане перепуска Р_у, не требуется такое большое давление);

г) Р_х и Р_у уравновешиваются на поверхностях регулятора;

д) Р_у давление становится преобладающим (рис. 11), вакуумный сильфон и тяга сильфона регулятора смещены вниз; диафрагма допускает такое перемещение;

е) Механическая передачи поворачивается против часовой стрелки и главный распределительный клапан открывается;

ё) с увеличением частоты вращения двигателя центробежные грузы расходятся, и клапан регулятора открывается для перепуска Р_у;

ж) Клапан обогащения вновь открывается и давление Р_х возрастает до величины давления Р_у;

з) Понижение давления Р_у способствует движению в обратном направлении сильфона регулятора и тяги;

и) торсион поворачивается по часовой стрелке для уменьшения расхода топлива и стабилизации частоты вращения ротора двигателя.

- Когда РУД затормаживается на стопоре малого газа:

а) центробежные грузы отжимаются, из-за высокой частоты вращения усилие от грузов больше затяжки пружины настройки;

б) Клапан регулятора, открываясь, стравливает давление Р_у, предохранительный клапан так же обжат для стравливания дополнительного давления Р_у;

в) Клапан обогащения открывается, пропуская воздух с возросшим давлением Р_х;

г) Давление Р_х способствует расширению регулятора и сильфона замедления до упора, тяга регулятора также поднимается вверх, и главный распределительный клапан начинает закрываться;

д) давление Р_х понижается с уменьшением частоты вращения ротора двигателя, но вакуумный сильфон удерживает тягу регулятора в верхнем положении;

е) Когда частота вращения снизится, центробежные грузы сойдутся, закрывая перепуск воздуха с давлением Р_у и предохранительный клапан;

ё) Клапан обогащения также начинает закрываться, давление Р_у возрастает по отношению к Р_х;

ж) сильфон замедления смещается вниз, распределительный клапан немного приоткрывается, частота вращения ротора стабилизируется.

- Когда повышается температура наружного воздуха при любом фиксированном положении РУДа:

а) Датчик Т₁₂ расширяется для уменьшения перепуска воздуха с давлением Р_х и его стабилизации при низком давлении Р_с , при этом сохраняется положение вакуумного сильфона и поддерживается заданная программа разгона; т.о. время разгона от режима малого газа до взлетного остается одинаковым как при повышенной температуре наружного воздуха, так и при пониженной.

3.5 Электронная система программирования подачи топлива

Системы дозировки топлива с электронными функциями в прошлом не применялись так широко, как гидромеханические и гидропневматические. В последние годы на большинстве новых двигателей, разработанных для коммерческой и бизнес авиации, устанавливаются электронные регуляторы. Электронный регулятор представляет собой гидромеханическое устройство с дополнительным включением электронных датчиков. Электронные схемы запитаны от шины самолета или от собственного специализированного генератора переменного тока, они анализируют рабочие параметры двигателя, такие как температура выхлопных газов, давление по тракту, частоту вращения ротора двигателя. В соответствии с этими параметрами электронная часть системы точно рассчитывает необходимый расход топлива.

3.5.1 Пример системы (Rolls Royce RB-211)

RB-211 - это трехкаскадный ТРДД больших размеров. Он имеет управляющий электронный регулятор, входящий в гидромеханическую систему программирования подачи топлива. Усилитель блока электронного регулятора защищает двигатель от заброса температуры при работе двигателя на взлетном режиме. В любых других условиях работы топливный регулятор работает только на гидромеханическую систему.

Из анализа рис. 14 видно, что усилитель регулятора получает сигналы на входе из ТНД и двух частот вращения компрессоров НД и ВД.

Регулятор работает по гидромеханической программе подачи топлива пока мощность двигателя не приблизится к максимальной, тогда усилитель электронного регулятора начинает функционировать как ограничитель подачи топлива.

Рис. 14. Топливная система с электронным регулятором, управляющим программой подачи топлива[4]

Регулятор перепада давлений в данной системе выполняет функции редукционного клапана в упрощенной схеме гидромеханического регулятора подачи топлива на рис. 10, Когда мощность двигателя приближается к максимальной и заданные температура газа в турбине и частота вращения вала компрессора достигнуты, регулятор перепада давлений уменьшает расход топлива в топливные форсунки, топливо на вход насоса. Регулятор подачи топлива в данной системе действует как гидромеханическое устройство, получая сигналы о частоте вращения ротора КВД, давления по тракту (Р₁, Р₂, Р₃) и позиции РУДа.

Как следует из рис. 14, топливный регулятор получает от двигателя следующие сигналы для создания программы подачи топлива:

- угла установки РУДа;

- р₁ - полного давления на входе в компрессор (вентилятор);

- р₃ - полного давления на выходе из компрессора второго каскада (промежуточного компрессора);

- р₄ - полного давления на выходе из КВД;

- N₃ - частоты вращения ротора КВД;

- N₁ - частоты вращения ротора КНД (вентилятора);

- N₂ - частоты вращения ротора промежуточного компрессора;

- температуры газа в турбине (на выходе из ТНД);

- команды блокировки функций усилителя регулятора;

- обогащения - увеличитель подачи топлива используется для запуска двигателя при наружной температуре ниже 0°.

3.5.2 Пример системы (Garrett TFE-731And ATF-3)

Garrett TFE-731 и ATF-3 - это турбовентиляторные двигатели нового поколения для бизнес авиации. На них установлены блоки системы электронного управления, полностью контролирующие программу подачи топлива.

Согласно схеме на рис. 15 электронный компьютер получает следующие входные сигналы:

- N₁ - частота вращения вентилятора;

- N₂ - частота вращения ротора промежуточного компрессора:

- N₃ - частота вращения ротора компрессора высокого давления;

- Тt₂ - полная температура на входе в двигателя;

- Тt₈ - температура на входе ТВД;

- рt₂ - полное давление на входе;

- входная мощность - 28 В постоянного тока;

- генератор переменного тока на постоянных магнитах;

- угол установки РУДа;

- положение ВНА;

- Рs₆ - статическое давление на выходе ТВД.

Рис. 15. Электронный регулятор топливной системы с полным контролем программы подачи топлива[4]

Электронная часть топливного регулятора анализирует входные данные и посылает команды на установку ВНА и программирует подачу топлива гидромеханической частью топливного регулятора.

Производители заявляют, что эта система полностью и более точно контролирует программу подачи топлива, чем сравнимая гидромеханическая система. Она также предохраняет двигатель на всем протяжении от запуска до взлетного режима от заброса температуры и оборотов, срыва потока при резком разгоне при помощи постоянного мониторинга температуры на входе ТВД и других важных параметров двигателя.

3.5.3 Пример системы (G.E./Snecma CFM56-7B)

Двигатель CFM56-7B (рис. 16) работает с помощью системы, известной как FADEC (Full Authority Digital Engine Control). Она осуществляет полный контроль над системами двигателя в ответ на входные команды от систем самолета. FADEC также снабжает информацией самолетные системы для индикации в кабине экипажа, мониторинга состояния двигателя, отчетности о ТО и поиска неисправностей.

Система FADEC выполняет следующие функции:

- осуществляет программирование подачи топлива и защиту от превышения предельных параметров роторами НД и ВД;

- контролирует параметры двигателя во время цикла запуска и предотвращает превышение предельной температуры газа в турбине;

- управляет тягой в соответствии с двумя режимами: ручным и автоматическим;

- обеспечивает оптимальную работу двигателя, управляя потоком компрессора и зазорами турбины;

- управляет двумя блокировочными электромагнитами РУДа.

Элементы системы FADEC. Система FADEC состоит из:

- электронного регулятора, включающего два идентичных компьютера, названных каналы А и В. Электронный регулятор осуществляет управляющие расчеты и отслеживает состояние двигателя;

- гидромеханического блока, который преобразует электрические сигналы от электронного регулятора в давление на приводы клапанов и исполнительных механизмов двигателя;

- периферийных компонентов таких, как клапана, силовые приводы и датчики для управления и мониторинга.

Интерфейс самолет/электронный регулятор (рис. 16). Системы самолета снабжают электронный регулятор информацией о тяге двигателя, управляющих командах, о состоянии и условиях полета ВС, как описано ниже:

- Информация о положении РУДа поступает в электронный регулятор в виде электрического сигнала угла рассогласования. К РУДам в кабине экипажа механически присоединен двойной преобразователь.

- Полетная информация, целевые команды для двигателя и данные передаются каждому двигателю от электронного блока отображения самолета по шине ARINC-429.

- Выборочные дискретные сигналы самолета и информационные сигналы через проводку подаются в электронный регулятор.

- Сигналы о положении реверса двигателя по проводам передаются в электронный регулятор.

Электронный регулятор использует дискретную информацию об отборе воздуха и полетной конфигурации (земля/полет и положение закрылков) от самолета для компенсации режима работы и в качестве базы для программирования подачи топлива при разгоне.

FADEC интерфейсы.Система FADEC - это система со встроенным тестовым оборудованием. Это означает, что она способна обнаружить собственную внутреннюю или внешнюю неисправность. Для выполнения всех своих функций система FADEC соединена с самолетными компьютерами через электронный регулятор.

Электронный регулятор получает команды от блока отображения самолета общей системы отображения информации, который является интерфейсом между электронным регулятором и самолетными системами. Оба блока системы отображения обеспечивают передачу следующих данных от системы выработки сигналов о полном и статическом давлении в полете и компьютера управления полетом:

- Параметры воздуха (высота, полная температура воздуха, полное давление и М) для расчета тяги;

Угловое положение РУД.

Рис. 16. Схема топливной системы двигателя G.E./Snecma CFM56-7 [4]

Конструкция FADEC. Система FADEC является полностью резервированной, построенной на двухканальном электронном регуляторе. Клапаны и исполнительные механизмы снабжены сдвоенными датчиками для обеспечения обратной связи с регулятором. Все контролируемые входные сигналы являются двухсторонними, но некоторые параметры, используемые для мониторинга и индикации, являются односторонними.

Для повышения надежности системы все входные сигналы для одного канала передаются и на другой через перекрестное звено передачи данных. Это обеспечивает работоспособность обоих каналов даже если важные входные сигналы для одного из каналов повреждены.

Оба канала А и В идентичны и постоянно функционируют, но независимо друг от друга. Оба канала всегда получают входные сигналы и обрабатывают их, но только один канал называемый активным управление, и формирует управляющие сигналы. Другой канал является дублирующим.

При подаче напряжения на электронный регулятор во время работы происходит выбор активного и дублирующего канала. Система встроенного тестового оборудования определяет и изолирует отказы или комбинации отказов для поддержания исправности каналов и для передачи данных об обслуживании самолетным системам. Выбор активного и дублирующего каналов основывается на исправности каналов, каждый канал устанавливает собственный статус исправности. Самый исправный выбирается в качестве активного.

Когда оба канала имеют одинаковый статус исправности, выбор активного и дублирующего канала чередуется при каждом запуске двигателя при превышении частоты вращения ротора низкого давления более 10,990 об/мин. Если канал поврежден, и активный канал не способен выполнять функции управления двигателем, система переходит в отказоустойчивый режим, защищающий двигатель.

Работа регулятора с обратной связью. Для полного управления различными системами двигателя электронный регулятор использует управление с обратной связью. Регулятор рассчитывает положение для элементов системы, называемое команда. Затем регулятор выполняет операцию сравнения команды с действительным положением элемента, называемую обратная связь, и рассчитывает разницу, называемую запрос.

Электронный регулятор через электрогидравлический сервоклапан гидромеханического устройства посылает сигналы элементам (клапанам, силовым приводам), вызывающие их перемещение. При перемещении клапана или силового привода системы электронный регулятор по обратной связи получает сигнал о положении элемента. Процесс повторятся, пока не прекратится изменение положения элементов.

Входные параметры. Все датчики являются сдвоенными кроме Т_49.5 (температура выхлопных газов), Т₅ (температура на выходе турбины НД), Рs₁₅ (статическое давление на выходе вентилятора), Р₂₅ (полная температура на входе КВД) и WF (расход топлива). Датчики Т₅, Рs₁₅ и Р₂₅ являются дополнительными и не устанавливаются на каждом двигателе.

Для выполнения расчета каждый канал электронного регулятора получает величины собственных параметров и величины параметров другого канала через перекрестное звено передачи данных. Обе группы величин проверяются на достоверность тестовой программой в каждом канале. Правильная величина выбирается для использования, в зависимости от оценки на достоверность при каждом считывании, либо используется усредненное значение обоих величин.

В случае отказа сдвоенного датчика выбирается значение величины, рассчитанное из других доступных параметров. Это применимо к следующим параметрам:

- Частота вращения ротора низкого давления (N1);

- Частота вращения ротора высокого давления (N2);

- Статическое давление на выходе компрессора (P_s3);

- Температура на входе в компрессор высокого давления (T₂₅);

- Положение топливного дозирующего клапана (FMV);

- Положение управляемого клапана перепуска воздуха (VBV);

- Положение поворотного направляющего аппарата (VSV).

Для всех других параметров, в случае, если у электронного регулятора нет возможности выбрать действительный параметр, будет выбран аварийный параметр.

Расположение электронного регулятора (рис. 17). Электронный регулятор двухканальный компьютер, помещенный в алюминиевый блок, который закреплен на правой стороне кожуха вентилятора в положении 2 часа. Четыре установочных болта с демпферами обеспечивают защиту от ударов и вибрации.

Для безошибочной работы электронного регулятора требуется охлаждение для сохранения внутренней температуры в допустимых пределах. Окружающий воздух отбирается с помощью воздухозаборника, расположенного с правой стороны обтекателя вентилятора. Этот охлаждающий воздух направляется во внутреннюю камеру электронного регулятора вокруг отделения каналов А и В и, затем, выводится через выходное отверстие охлаждающего воздуха.

Рис. 17. Электронный регулятор двигателя G.E./Snecma CFM56-7B [4]

Перепрограммирование электронного регулятора. Каждый электронный регулятор может быть перепрограммирован с помощью переносного загрузчика данных. Он соединяется с электронным регулятором через три цилиндрических электрических разъема, затем оба агрегата запитываются, чтобы загрузить последнее программное обеспечение. После загрузки на дисплее переносного загрузчика данных может появиться одно из следующих сообщений: «Загрузка выполнена» или «Ошибка при передаче».

Заглушка распознавания номинальной характеристики двигателя (рис. 18). Заглушка распознавания номинальной характеристики двигателя обеспечивает электронный регулятор информацией о конфигурации двигателя для его правильной работы. Эта заглушка, закрепленная на корпусе вентилятора с помощью металлической планки, вставляется в один из разъемов на корпусе электронного регулятора. Заглушка остается с двигателем даже в случае замены электронного регулятора. Заглушка включает в себя кодируемую схему, припаянную к нему, которую воспринимает и использует электронный регулятор для определения величины тяги, которую сможет обеспечить двигатель.

Электронный регулятор в своем ПЗУ хранит программы для всех доступных конфигураций двигателя. Во время подготовки к работе, он снимает информацию с заглушки, считывая напряжение с нескольких перемычек. В зависимости от расположения и наличия напряжения на специальных перемычках, электронный регулятор выбирает особую программу. В случае отсутствия или недостоверности идентификационной заглушки, электронный регулятор использует параметры, сохраненные в ПЗУ при прошлой конфигурации.

Идентификационная заглушка снабжена плавкими и двухтактными перемычками. Плавкие перемычки обеспечивают электронный регулятор информацией о тяге двигателя при запуске. Они сделаны с помощью металлизации области между двумя контактами заглушки. Эти перемычки могут быть разомкнуты только прогорев, таким образом, их перенастройка невозможна.

При создании все двигатели CFM 56-7B имеют взлетную тягу, равную 27,300 фунтам. В зависимости от требований идентификационная заглушка меняет взлетную тягу двигателей на 19,500; 20,600; 22,700; 24,200 или 26,300 фунтов.

Чрезвычайный или повышенный взлетный режим (bump) - это опция, обеспечивающая достижение уровней мощности больших, чем нормальные взлетные уровни без особых ограничений. Особые параметры мощности двигателя могут быть установлены с помощью идентификационной заглушки. Паспортные данные не влияют на уровни мощности, которые могут быть равны или быть ниже значений максимальной продолжительной тяги. Для любого имеющегося чрезвычайного режима предельные значения частоты вращения роторов НД и ВД а также температуры выхлопных газов остаются равными базовой характеристике.

Рис. 18. Электронный регулятор G.E./Snecma CFM56-7B [4]

После сборки нового двигателя могут существовать небольшие различия в величине тяги при определенных частотах вращения ротора НД. Чтобы просчитать это идентификационная заглушка может содержать модификатор, который слегка изменяет скорость ротора НД и делает характеристики двигателя идентичными с тем, что называется «нормой». Даже если модификатор может вызвать снижение условной скорости вращение ротора низкого давления, индикация в кабине экипажа не покажет это уменьшение. На самолетах с двухдвигательной силовой установкой оба тахометра будут показывать одинаковые значения частоты вращения роторов обоих двигателей.

Питание электронного регулятора. Электронный регулятор обеспечивается дополнительными источниками питания, чтобы гарантировать непрерывное и отказоустойчивое электропитание. Логическая схема внутри электронного регулятора автоматически выбирает надлежащий источник питания в случае отказа. Источниками питания являются:

- Нормальная самолетная шина 115 В переменного тока, 400 Гц;

- Аварийная самолетная шина 115 В переменного тока, 400 Гц;

- Управляющий генератор переменного тока может обеспечивать питание от двух независимых обмоток на скорости ротора ВД, примерно равной 12%.

Управляющий генератор переменного тока рассматривается как основной источник питания электронного регулятора. В случае его отказа электронный регулятор автоматически переключит свое питание на самолетную электрическую сеть.

Датчики двигателя (рис. 19). Электронному регулятору необходимы информация о газовом тракте двигателя и рабочие параметры с целью управления двигателем во время всех фаз полета. Датчики установлены в аэродинамических позициях и различных точках двигателя, чтобы замерять рабочие параметры двигателя и обеспечивать ими подсистемы электронного регулятора. Датчики, расположенные на аэродинамических позициях имеют одинаковый номер позиции, например Т₂₅. Датчики, находящиеся в различных позициях имеют различные имена, например Т - это датчик корпуса.

Рис. 19. Датчики двигателя G.E./Snecma CFM56-7B[4]

Следующие датчики двигателя используются электронным регулятором. Датчики частоты вращения роторов:

- Частота вращения ротора вентилятора, N1;

- Частота вращения ротора газогенератора, N2.

Датчики температуры:

- Температура на входе в вентилятор, Т12;

- Температура на входе КВД, Т₂₅;

- Температура на выходе компрессора, Т₃;

- Температура выхлопных газов, Т_49.5;

- Температура на выходе ТНД, Т₅;

- Температура опоры кожуха ТВД.

Датчики давления:

- Статическое наружное давление Р₀;

- Статическое давление на выходе КВД, Рs₃;

- Статическое давление на выходе вентилятора, Рs₁₃;

- Полное давление на входе КВД, Р₂₅.

Вибродатчики:

- Вибрационный тензодатчик подшипника №1;

- Тензодатчик вертикальной стойки корпуса вентилятора компрессора.

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

При управлении мощностью контролируется уровень тяги двигателя на основании входных сигналов РУДа (рис. 20). В качестве параметра тяги используется частота вращения ротора вентилятора. Электронный регулятор рассчитывает пять опорных значений частоты вращения ротора вентилятора (соответствующей малому газу, максимальному взлетному, максимальному непрерывному, максимальному повышенному взлетному режимам и максимальному реверсу) для соответствующих параметров двигателя (задаваемых заглушкой входных данных) на основании параметров наружного воздуха и состояние системы перепуска воздуха в двигателе.

3.6.1 РУД

Узел РУД механически соединен с датчиком положения с помощью регулируемой тяги. Датчик положения преобразует механическое перемещение в электрический сигнал, эквивалентный угловому положению. Электрический сигнал передается через проводку в электронный регулятор для расчета тяги.

РУД перемещается либо пилотами, либо автоматически системой автопилотирования. Управляющий сигнал частоты вращения ротора вентилятора рассчитывается исходя из углового положения РУД и других параметров.

3.6.2 Условия окружающей среды

При управлении мощностью используются следующие параметры окружающей среды: давление (Ps/Po), полное давление (Р₁) и полная температура воздуха (ТАТ/Т₁₂). Каждый канал электронного регулятора имеет независимые источники данных. К ним относятся: