Основные характеристики САУ ТРДД

Автоматика и управление авиационными двигателями

конспект лекций

 

составитель канд. техн. наук, доцент Бойко О.Г.

 

Красноярск 2016

Содержание конспекта

1	Системы автоматического управления и контроля газотурбинными двигателями	3
	1.1 Назначение САУ	3
	1.2 Состав САУ	6
	1.3 Основные характеристики САУ ТРДД	11
	1.4 Работа САУ ГТД	13
	1.5 Основные пути повышения надежности САУ отечественной разработки	15
	1.6 Особенности САУ ГТД в связи с усложнением схем двигателей и форсированием их параметров	16
	1.7 Особенности системы контроля и диагностики авиационного двигателя	17
2	Объекты регулирования и их математические модели (на примере ГТД)	23
	2.1 Сущность и задачи регулирования ГТД	23
	2.2 Основные требования, предъявляемые к системам автоматического регулирования ГТД	24
	2.3 Классификация параметров объектов регулирования	26
	2.4. Простейшие динамические модели ГТД	29
	2.5.Общий принцип построения динамических моделей ПД	31
3	Регуляторы и их элементная база	33
	3.1. Принципы управления энергетическими объектами	33
	3.2 Назначение элементов регуляторов	35
	3.3. Схемы регуляторов	36
	3.4 Законы управления	45
	3.5 Элементная база регуляторов	45
	3.5.1 Чувствительные элементы	45
	3.5.2 Усилительные элементы	54
	3.5.3 Исполнительные элементы	57
	4. Принцип работы регуляторов	61
	Условные сокращения	68

 

 

1. Системы автоматического управления и контроля газотурбинными двигателями

 

Назначение САУ

 

Современная САУ ГТД предназначена для выполнения следующих функций:

- управление запуском двигателя и его выключения;

- управление режимом работы двигателя;

- обеспечение устойчивой работы компрессора и КС двигателя на установившихся и переходных режимах;

- предотвращение превышения параметров двигателя выше предельно допустимых;

- обеспечение информационного обмена с системами самолета:

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

- обеспечение контроля исправности элементов САУ;

- оперативный контроль и диагностирование состояния двигателя (при объединенной САУ и системы контроля);

- подготовка и выдача в систему регистрации информации о состоянии двигателя.

Пример состава агрегатов САУ приведен на рис. 1.1.

 

Рис. 1.1 Состав агрегатов САУ контроля и топливопитания ТРДД

Рассмотрим функционирование САУ более подробно.

На запуске САУ выполняет следующие функции:

- управляет подачей топлива в КС и направляющим аппаратом, а также перепусками воздуха и площадью критического сечения сопла, в соответствии с программами управления (если сопло регулируемое);

- 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.

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 (ГДУ) компрессора.

Управление режимом работы двигателя производится по командам пилота в соответствии с заданными программами управления. Управляющими воздействиями являются расходы 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 или адаптивного управления с целью обеспечения максимальной эффективности комплекса «СУ - летательный аппарат».

Для обеспечения устойчивой работы компрессора и КС двигателя на установившихся и переходных режимах, осуществляется автоматическое программное управление подачей топлива в КС, управление клапанами перепуска воздуха из компрессора и за компрессором, а также управление поворотными лопатками ВНА и НА компрессора и площадью критического сечения регулируемого сопла. Управление обеспечивает протекание линии рабочих режимов с достаточным запасом от границы ГДУ компрессора (вентилятора, подпорных ступеней, КНД и КВД). Для предотвращения превышения параметров при потере ГДУ компрессора применяется противопомпажная и противосрывная системы. Для предотвращения недопустимых нагрузок на элементы КС при вибрационном горении применяется система защиты двигателя от виброгорения.

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

- 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.

Информационный обмен с системами самолета осуществляется по последовательным и параллельным цифровым каналам. Информация выдается 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.

С целью получения максимальной эффективности работы двигателя и самолета в целом, управление двигателем в составе СУ самолета, по командам из самолетной системы управления, интегрируют с другими системами СУ и аэродинамическим управлением планера. Системы управления интегрируются 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 и выходным устройством СУ. 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.

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

Для оперативного контроля и диагностирования 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 КИСС, регистрации МСРП и другие системы самолета;

- 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.

 

Состав САУ

Состав САУ определяется принятым конструктивным решением. В состав САУ ТРДД входят следующие агрегаты и датчики:

- основной регулятор;

- датчики электронной части;

- блок коммутации;

- автономный генератор;

- резервный регулятор;

- агрегат управления механизацией двигателя;

- агрегат защиты от достижения предельных параметров двигателя;

- датчики резервного регулятора;

- исполнительные механизмы.

Возможный варианты принципиальной схемы САУ ТРДД приведен на рис. 1.2. К составу САУ традиционно относят и агрегаты топливной системы.

Основной электронный регулятор двигателя (РЭД) представляет собой специализированную электронную цифровую вычислительную машину, работающую в реальном масштабе времени (рис. 1.3). РЭД оснащен устройствами сопряжения с датчиками и исполнительными механизмами электронной системы управления и устройствами связи с двигательными и самолетными системами по  по мультиплексным каналам информационного обмена (МКИО). РЭД предназначен для выполнения логических, управляющих и контролирующих программ, обеспечивающих управление двигателем на всех режимах его работы во всех условиях эксплуатации. Он интегрирован с бортовым управляющим комплексом, а также выдает информационные сигналы в многоканальную систему регистрации параметров (МСРП) и комплексную систему электронной индикации и сигнализации (КСЭИС).

Основной регулятор может быть гидро (пневмо) механическим устройством, если в рассматриваемом конкретном случае его применение более рационально, чем применение электронного регулятора.

Работу электронно-гидромеханической системы управления обеспечивают следующие автономные датчики электронной части:

- частоты вращения ротора КВД;

- частоты вращения ротора вентилятора;

- температуры газа за турбиной;

- температуры газа за ТНД на запуске;

- температуры РЛ первой ступени ТВД;

- температуры воздуха на входе в двигатель;

- полного давления воздуха на входе в двигатель;

- полного давления воздуха за КВД;

- углового положения лопаток ВНА;

 

1.2 Состав САУ ТРДД

 

 

Рисунок 1.3. Электронный регулятор

 

- углового положения РУД;

- положения дозирующей иглы ДИ (в составе НР);

- расхода топлива в КС;

- наличия пламени в КС;

- температуры топлива в топливной системе;

- температуры масла на выходе из опор роторов двигателя.

Возможна установка других датчиков в соответствии с принятыми программами управления. Датчики имеют на выходе нормализованный электрический сигнал в аналоговом, частотном или кодовом виде. Сигнал подается во входной порт электронного преобразователя по электрическим или оптоволоконным линиям связи.

Блок коммутации (рис. 1.4) предназначен для усиления сигналов управления электроагрегатами пусковой системы и коммутации сильноточных цепей электроагрегатов по сигналам от РЭД, двигателя или из кабины самолета. БК обеспечивает также формирование команд на управление ручным запуском двигателя как на земле, так и в воздухе при отказе электронного регулятора. БК, как правило, установлен на двигателе.

Электропитание САУ осуществляется от бортовых источников летательного аппарата. Для повышения надежности работы САУ, дополнительно к бортовому электропитанию, для резервного питания электронной части САУ, предусматривают автономный генератор. АГ устанавливается на коробке приводов двигателя.

Резервный регулятор, как правило, гидромеханический или гидропневмомеханический. Он может быть объединен с качающим узлом, дозатором топлива, исполнительной частью электронной системы, агрегатом резервного управления механизацией двигателя. В этом случае, агрегат называется насос-регулятор (рис. 1.5). НР при работе системы управления на основной автоматике предназначен:

 

Рис. 1.4. Блок коммутации

 

- для топливоподачи в КС

- надсистемного ограничения частоты вращения ротора КВД и и давления воздуха за КВД;

- подвода топлива высокого давления к гидроцилиндрам систем управления механизацией компрессора и отборами воздуха по сигналам, формируемым электронным регулятором.

Рис. 1.5 Насос регулятор

 

 

В агрегат резервного регулятора входят преобразователи-усилители сигналов основного регулятора в гидравлические, пневматические сигналы управления, которые далее поступают к исполнительным механизмам. При работе на резервной автоматике, НР управляет режимом, механизацией двигателя и обеспечивает переходные режимы без забросов и колебаний параметров двигателя. Управление, как правило, осуществляется по упрощенным программам с пониженной точностью из условия обеспечения тяги для безаварийного полета.

НР устанавливается на коробке приводов двигателя.

Агрегат управления механизацией двигателя, как правило, представляет собой гидромеханическое или гидропневмомеханическое устройство. Он может быть выполнен отдельным агрегатом или объединенным с агрегатом типа НР.

Агрегат управления механизацией управляет:

– направляющими аппаратами, в том числе ВНА;

– клапанами перепуска воздуха из подпорных ступеней, из компрессора, за компрессором;

– подачей воздуха на охлаждение корпусов компрессора и турбины, а также, на охлаждение лопаток турбины.

Агрегаты управляющей и исполнительной частей, датчики положения, датчики двигательных параметров и наружного воздуха, а также регулирующие органы, объединяются в систему управления механизацией двигателя. Программы управления механизацией двигателя могут быть реализованы в основном электронном регуляторе. В этом случае, при отказе основного регулятора, агрегат управления механизацией двигателя может управлять ею по упрощенным программам. Может быть реализовано смешанное управление, например, управление ВНА по аналоговой программе осуществляет электронный регулятор, а управление другими элементами механизации – резервный агрегат управления механизацией двигателя.

В варианте управления основным электронным регулятором, агрегат управления механизацией двигателя содержит преобразователи сигналов от электронного регулятора в гидравлические (или пневматические) усилители сигналов, направляемых в исполнительные механизмы системы управления механизацией двигателя.

Агрегат защиты двигателя от достижения предельных параметров, как правило, является надсистемным ограничителем, т.е. защищает двигатель в случае неисправностей основного или резервного каналов управления, приводящих к забросам параметров двигателя. Агрегат защиты двигателя от предельных параметров вместе с датчиками и исполнительной частью объединяют в систему защиты двигателя от достижения предельных параметров, например, система защиты  турбины от раскрутки (СЗТР) или блок защиты двигателя от достижения предельных параметров.

Датчики резервного регулятора, как правило, гидромеханические, пневмомеханические или механические аналоговые. Состав датчиков определяется выбранными программами управления резервного регулятора. В своем составе имеют преобразователь измеренной величины параметра в аналоговый гидравлический или пневматический сигнал.

Исполнительные механизмы предназначены для перемещения регулирующих органов в соответствии с полученным от основного или резервного регулятора сигналом управления. Исполнительные механизмы гидромеханические, пневмомеханические или электромеханические.

 

 

Основные характеристики САУ ТРДД

К основным характеристикам относятся:

– программы управления;

– точность выполнения программ;

– масса, масса сухая;

– применяемое топливо;

– параметры топлива на входе;

– класс чистоты топлива, обводненость топлива;

– параметры электропитания;

– удельные характеристики;

– стойкость, устойчивость к внешним воздействующим факторам;

– климатическое исполнение аппаратуры;

– срок службы, ресурс;

– показатели безотказности, надежности;

– ремонтопригодность;

– эксплуатационная технологичность;

– технико-экономические показатели;

– контролепригодность.

Рассмотрим некоторые характеристики подробнее.

Программы управления обеспечивают функционирование двигателя на статических и переходных режимах, и соответствие дроссельных, высотно-скоростных и эксплуатационных характеристик техническим требованиям.

Точность выполнения программ задается исходя из обеспечения поддержания заданной тяги и устойчивой работы компрессора и камер сгорания, обеспечения защиты от превышения предельно допустимых параметров.

Масса сухая – масса САУ, без деталей, сборочных единиц и агрегатов, предназначенных для его установки и эксплуатации на борту летательного аппарата для улучшения характеристик ЛА, а также без массы рабочих жидкостей.

Масса в реальной компоновке – масса САУ, соответствующая всем требованиям ТЗ, без массы деталей, сборочных единиц и агрегатов, предназначенных для обслуживания ЛА.

Масса поставочная – масса САУ в реальной компоновке, укомплектованной деталями, сборочными единицами и агрегатами.

Параметры электропитания агрегатов САУ от источников постоянного тока напряжением 27В. Отдельные датчики питаются от источников переменного тока частотой 400Гц и напряжением 115В.

Электропитание осуществляется от бортсети генераторов самолета. Наиболее ответственные устройства дополнительно запитываются от аккумуляторной батареи.

В САУ дополнительно к бортовому может быть предусмотрен автономный источник питания – автономный генератор, как правило, переменного тока, работающий только на САУ, и обеспечивающий бесперебойное электропитание при отказах в бортсети. В этом случае в электронном регуляторе имеется преобразователь, обеспечивающий электропитанием устройства САУ с необходимыми для устройств автоматики параметрами тока.

Топливо подается на вход в топливную систему двигателя из топливной системы самолета. Топливо имеет определенные параметры:

– давление минимально допустимое и максимально рабочее;

– давление минимальное при неисправной или выключенной самолетной системе подачи топлива;

– температура минимально и максимально возможная.

Удельные характеристики отражают совершенство конструктивного исполнения САУ. К удельным характеристикам относят удельную массу и массу функции САУ. Удельная масса САУ – это масса САУ, отнесенная к максимальному расходу топлива в двигателе. Масса функции – это масса САУ, отнесенная к общему количеству функций, выполняемых системой.

Система должна обладать стойкостью, устойчивостью к воздействию внешних факторов. Внешние воздействующие факторы задаются в ТЗ на двигатель и нормативных документах для различных вариантов применения двигателя.

Учитываются следующие факторы:

– температура рабочая и предельная минимальная и максимальная окружающей среды;

– давление максимальное и минимальное окружающей среды;

– вибрация;

– удар;

–песок;

– влажность;

– плесневые грибы, микроорганизмы;

– электромагнитны импульсы, радиационное излучение;

– акустический шум.

Климатическое исполнение аппаратуры позволяет эксплуатировать САУ ГТД в одном или нескольких микроклиматических районах. Тип климатического исполнения задается разработчиком ЛА и обеспечивается разработчиком САУ, посредством выбора соответствующих материалов для изготовления элементов и комплектующих. Климатическое исполнение подтверждается испытаниями при воздействии внешних климатических факторов – температура, давление, влажность воздуха, солнечная радиация, песок, коррозионно-активные агенты в атмосферном воздухе.

Срок службы, ресурс агрегатов устанавливается 8÷12 лет и задается в ТЗ на агрегаты. При проектировании агрегаты рассчитываются на этот ресурс. С учетом ресурса и срока службы, выбираются комплектующие (электромагнитные клапаны, исполнительные механизмы, датчики и пр.)

Как правило, срок службы и ресурс агрегатов устанавливается такой же, как у двигателя. Однако, в отдельных случаях допускается иметь ресурс меньший и кратный ресурсу двигателя. В этом случае при ремонте двигателя производится замена агрегатов, выработавших ресурс. В настоящее время с развитием средств диагностики стал возможен переход на эксплуатацию двигателя и его агрегатов по их техническому состоянию, а не по назначенному ресурсу.

Ремонтопригодность САУ. При создании САУ могут быть заданы следующие виды выполнения ремонта: ремонт в условиях мастерской, в полевых условиях, на заводе изготовителе, или если агрегаты неремонтопригодные, то в случае отказа подлежат съему с эксплуатации. Для обеспечения ремонтопригодности, при работе агрегата в условиях испытательного стенда выполняется его диагностика глубиной до сменного блока или агрегата.

Эксплуатационная технологичность оценивается следующими показателями:

– трудоемкость и длительность демонтажа и монтажа агреатов;

– трудоемкость и длительность отыскания и устранения неисправности;

– трудоемкость и длительность проведения регламентного ТО;

– трудоемкость и длительность регулировок агрегатов.

Контролепригодность САУ и агрегатов задается разработчиком двигателя. Это качество обеспечивается с помощью:

– наличия специальных встроенных сигнализаторов исправного состояния;

– системы самоконтроля с заданной глубиной контроля, выдающей информацию об отказах в контрольно-проверочную и информационно-сигнальные системы;

– системы тестирования состояния элементов САУ бортовой или технологической наземной аппаратурой.

 

 

Работа САУ ГТД

Работа на режимах запуска. САУ обеспечивает следующие виды запуска и вспомогательные режимы, необходимые при эксплуатации двигателя:

– запуск двигателя на земле;

– запуск двигателя в полете с подкруткой и без подкрутки ротора компрессора двигателя;

– встречный запуск;

– холодная прокрутка;

– ложный запуск.

Работа на режимах останова. Подача топлива выключается по команде пилота или автоматически при срабатывании защиты от предельных параметров.

Агрегаты топливной системы (дозатор топлива или распределитель топлива по коллекторам форсунок основной КС) имеют устройство выключения подачи топлива в КС. Устройство выключения управляется из кабины пилота специальной ручкой с механическим приводом (тросовая проводка или тяга) или электроприводом. Устройство выключения подачи топлива может иметь электромагнитный клапан, установленный дополнительно к механическому (электромеханическому) приводу, или вместо него. Электромагнитный клапан управляется по электрическому сигналу из кабины пилота или от САУ.

Работа на основных режимах. Управление двигателем на статических и переходных режимах выполняется по заданным программам в зависимости от:

– положения РУД;

– сигналов бортовой САУ;

– внутридвигательных параметров;

– параметров воздуха на входе в двигатель;

– сигналов от взаимодействующих и управляемых систем двигателя.

Электронный регулятор принимает указанные сигналы от датчиков, вырабатывает управляющие сигналы и выдает их на преобразователи исполнительных механизмов. Исполнительные механизмы приводят регулирующие органы двигателя.

Работа противопомпажной и противосрывной систем обеспечивается датчиками помпажных или срывных явлений, которые фиксируют предпомпажное состояние или начальную стадию развития помпажа (срыва потока воздуха). Они выдают сигнал в блок противопомпажной системы (ППС). При фиксировании помпажа или предпомпажного состояния, САУ управляет расходом топлива и механизацией компрессора для повышения запасов ГДУ и уменьшения нагрузок и температурного воздействия на элементы конструкции двигателя, которые возникают при возмущениях в газовоздушном тракте.

Работа на режимах обратной тяги (минимальная или максимальная тяги) осуществляется по тем же программам, что и на режимах прямой тяги. Управление механизацией газовоздушного тракта, обдувами корпусов и зазорами проточной части осуществляется по упрощенным программам, при условии обеспечения работоспособности узлов ГДУ и заданного значения обратной тяги.

Для того, чтобы исключить нерасчетную нагрузку на элементы реверсивного устройства до его перекладки в положение обратной тяги автоматически блокируется (запрещается) увеличение режима сверх установленного для минимальной обратной тяги на режимы прямой тяги также блокируется перекладка реверсивного устройства в положение прямой тяги, пока режим работы двигателя не уменьшится до минимального.

Совместная работа с системами управления самолета. Управление двигателями от всережимной системы управления тягой (ВСУТ) осуществляется посредством одновременного перемещения РУД всех двигателей в кабине самолета от одного исполнительного механизма, входящего в состав ВСУТ.

Одновременно, из ВСУТ в электронный регулятор каждого двигателя выдаются в цифровом коде корректирующие сигналы, формируемые как разность между заданными ВСУТ и программными значениями частоты вращения ротора КВД каждого двигателя