Глава 12 основные положения, лежащие в основе теории автоматического управления двигателями

Д-ЗОКУ И Д-ЗОКП

12.1. Программа управления трдд на максимальном режиме работы

Системы автоматического управления (САУ) двигателями максимально упрощают управление ими, обеспечивают возможность выбирать и поддерживать необходимые режимы их работы, исключают механическую и тепловую перегрузки деталей и неустойчивую работу узлов на переходных режимах, а также гарантируют безотказный запуск на земле и в воздухе. САУ автоматизируют весь процесс управления двигателем, позволяя экипажу с помощью РУД задавать необходимый режим его работы.

САУ осуществляет контроль рабочего процесса двигателя с помощью управляемых параметров (УП), т. е. параметров, значения которых поддерживаются постоянными или изменяются по заданному закону при изменении режима полета или режима двигателя. В свою очередь, значения УП контролируются с помощью управляющих факторов (УФ-), т. е. физических величин, характеризующих подвод энергии к двигателю и распределение ее внутри его. Количество подводимой энергии определяется расходом топлива, а ее распределение — изменением некоторых геометрических величин двигателя, например, углов установки направляющих лопаток компрессора.

Устройства, с помощью которых осуществляется изменение УФ, называются управляющими орга­нами (УО).

Реализуемая системой управления зависимость, связывающая УП и УФ с условиями полета и положением РУД, называется законом управления ГТД.

В качестве УП в САУ ГТД могут быть использованы такие параметры рабочего процесса, которые однозначно определяют тягу и удельный расход топлива, монотонно изменяются при дросселировании двигателя и изменении внешних условий, а также обуславливают тепловое и нагруженное состояние узлов и деталей. Дополнительным требованием, которое должно учитываться при выборе УП, явля­ется высокая точность их измерения простыми и надежными техническими устройствами.

В наибольшей мере этим требованиям отвечают следующие параметры режима работы двухвального ТРДД: частота вращения ротора НД — п_нд, частота вращения ротора ВД — лг_вд и температура газов перед турбиной Г*. Именно эти параметры целесообразно использовать в качестве УП в САУ двух­вального ТРДД.

Для получения максимальной тяги при любом сочетании показателей, характеризующих внешние условия, указанные УП должны поддерживаться на максимальном уровне. В соответствии с этим закон управления ТРДД на максимальном режиме можно описать следующими тремя зависимостями:

«нд = «ндшах = const; (12.1)

"вд = "вдтах = const; (12.2)

Т*г = T*_rm„ = const. (12.3)

Для осуществления такого закона управления необходимо располагать тремя УФ, которыми могут быть расход топлива, площадь критического сечения сопла и угол поворота лопаток направляющего аппарата КВД. Связь между УФ и УП в этом случае будет иметь вид:

^с-^Пнд. Фна-*"вд и G_T->7";.

Однако в двухвальных ТРДД, предназначенных для дозвуковых летательных аппаратов, реактив­ные сопла, как правило, не регулируются и поэтому они имеют только один УФ — G_T, который может независимо воздействовать только на один УП. Все остальные параметры рабочего процесса будут изменяться по определенному закону, находясь во взаимосвязи с УП.

При реализации закона управления (12.1) с увеличением числа Маха полета М или со снижением высоты полета Н происходит увеличение полной температуры Г* на входе в двигатель, которая су­щественно влияет на работу двигателей. Во-первых, увеличение Т* приводит к снижению л* = = ЛкндЛ^вд и, как следствие, к рассогласованию работы первых и последних ступеней. На первых ступенях наблюдается увеличение углов атаки, а следовательно, и потребной работы на привод КНД при я_нд = const. На последних ступенях углы атаки уменьшаются, что вызывает снижение потребной работы на привод КВД при п_вд = const. Во-вторых, при увеличении Т"„ происходит увеличение степени двухконтурности. Так, например, при увеличении скорости полета расход воздуха через двигатель уве­личивается, но через наружный контур более интенсивно, чем через внутренний. Это объясняется тем, что степень повышения давления в КНД невелика (л^_вд 3> л_кнд), при увеличении скорости полета она возрастает достаточно существенно, вызывая пропорциональное увеличение расхода воздуха.

Таким образом, при увеличении Т*„ происходит «затяжеление» ротора КНД и «облегчение» ротора КВД.

При критической скорости истечения газа из реактивного сопла независимо от режима работы двигателя степень понижения давления в турбине л_т будет оставаться постоянной, а это означает, что при постоянной температуре Г* эффективная работа ТВД и ТНД сохранит первоначальное значение. Если л* = var, то в многоступенчатой турбине это изменение л* происходит в основном за счет изменения перепада давлений на последних ступенях, т. е. изменяет свою эффективную работу только ТНД. В результате частота вращения ротора НД снижается, а ротора ВД увеличивается.

Для восстановления частоты вращения n_HRmaK == const в соответствии с условием (12.1) необходимо увеличить подачу топлива G_T, что вызывает одновременное увеличение Г* и л_вд.

Рассмотренный закон управления наиболее целесообразен для двигателей, предназначенных для сверхзвукового ЛА, так как раскрутка ротора НД и увеличение Т* благоприятно сказываются на соотношении необходимых и располагаемых тяг. Однако при такой программе, начиная с определенной скорости полета, с целью ограничения допустимых значений Т* и п_ва требуется переход на комбиниро­ванную программу регулирования.

При управлении двигателем по закону (12.2) для восстановления частоты вращения л_ВДтах = const в отличие от закона (12.1) необходимо уменьшить подачу топлива при увеличении М или снижении Я, что в свою очередь вызывает уменьшение Т* и /г_нд, причем уменьшение Т' будет происходить тем интенсивнее, чем меньше степень повышения давления в КВД и чем меньше работа, необходимая для его привода. Это объясняется тем, что газогенератор ТРДД ведет себя как обычный одновальный ТРД с малым л*, и поэтому зависимости, представленные

09

			— /0 ^8
			N,6

^{300 МО т*к}

Рис. 12.2. Относительное изменение работы компрессора в зависимости от полной температуры наружного воз­духа и различных л*

Если л_кВД = 7...8 (рис. 12.2), то работа компрессора с увеличением 7^,*_нд сохраняет примерно постоянное значение. Тогда из уравнения баланса работ турбокомпрессора следует пропорциональность

^квд — L_T

вд

(12.4)

что означает постоянство 7"* при изменении высоты и скорости полета в двухвальном ТРДД, управ­ляемом по закону (12.2).

Таким образом, закон управления на максимальном режиме я_вд = п_ВДтах = const с помощью одного УФ обеспечивает одновременное постоянство двух УП л_ВДтах = const и f_rmax = const, что является его важнейшим преимуществом.

При реализации закона (12.3) при увеличении Т*„ наблюдается увеличение частоты вращения ротора ВД и уменьшение частоты вращения ротора НД (рис. 12.1, в). Управление двигателем по этому закону позволяет при всех скоростях полета в равной степени использовать температурные возможности двигателя. Однако при реализации этого закона встречаются затруднения, связанные с измерением и регулированием температуры Т'.

Итак, применение закона управления на максимальном режиме л_вд = л_ВДтах = const позволяет одним управляющим фактором G_T поддерживать одновременно постоянство двух основных управляемых параметров, поэтому в САУ двигателей Д-ЗОКУ и Д-ЗОКП применен такой закон управления на макси­мальном режиме.

Для его реализации в САУ этих двигателей включен малоинерционный чувствительный регулятор частоты вращения ротора ВД. Этот регулятор замеряет отклонения частоты вращения ротора от задан­ного значения и изменяет подачу топлива в камеру сгорания двигателя с помощью наклонной шайбы плунжерного топливного насоса, которая выполняет функцию УО ТРДД и тем самым с достаточной точностью поддерживает при любых внешних условиях л_ВДт = const.

Принятое косвенное регулирование температуры газа перед турбиной не исключает возможности превышения Т' допустимого значения на максимальном и неустановившихся режимах работы двигателя и поэтому требует введения в САУ ограничителя температуры. Вследствие этого в САУ двигателя включен всережимный предельный регулятор температуры газов за турбиной ВПРТ-44, который перенаст­раивает регулятор частоты вращения на уменьшение л_вд при недопустимом увеличении Т*.

Переход на ограничение Т' вместо Т" объясняется тем, что при неизменной геометрии проточной части двигателя и сверхкритических режимах истечения газа из реактивного сопла Г* изменяется пропорционально Т", т. е.

П = АК

(12.5)

где А — постоянный коэффициент. При этом Г* на 400...500°С меньше Т*, что позволяет повысить безотказность термоэлектрических чувствительных элементов в ВПРТ-44. Кроме того, температура 7"* распределена по сечению газового потока равномернее, чем 77, а увеличение скорости потока за ТНД в 1,5. ..2 раза по сравнению со скоростью перед сопловым аппаратом. ТВД обусловливает высокий коэффициент теплопередачи к термочувствительным элементам, что снижает их инерционность.

Значительное влияние на уровень действующих напряжений в деталях и узлах ТРДД оказывает не только режим работы двигателя, но и режим полета самолета. Снижение Т'„ (рис. 12.3) обусловливает неуклонный рост частоты вращения ротора НД, которая достигает по условиям прочности предельно допустимого значения при Г„.₀гр- Именно с этого момента возникает необходимость введения ограничения по максимально допустимой частоте вращения ротора НД. С этой целью в САУ двигателя включен центробежный регулятор ПР-1-30К, ограничивающий максимально допустимую частоту вращения уменьшением подачи топлива в камеру сгорания двигателя. Такой способ ограничения л_НДтах = const вызывает одновременное снижение л_вд < п_ВДтах и 7"* < 7'*_тах.

С другой стороны, полет самолета у земли при низких значениях Т*„ с максимальной скоростью приводит вследствие повышенного расхода воздуха к увеличению аэродинамических нагрузок на ра­бочие лопатки компрессора и турбины, крутящих моментов на валах и напряжений в силовых корпусах двигателя. На основании этого необходимо вводить ограничения по условиям прочности перечис­ленных элементов конструкции ТРДД.

Наиболее полно характеризует силовую нагруженность этих элементов полное давление воздуха за КВД р*_тах. Поэтому в САУ Д-ЗОКУ и Д-ЗОКП предусмотрено ограничение этого параметра в соответ­ствии с законом:

Рк<р_ктах. (12.6)

Выполнение этого закона управления осуществляется САУ с помощью механизма ограничения давления р*_тах, который при увеличении скорости полета или снижении высоты уменьшает С_т и тем самым поддерживает p*_max = const. Аналогично предыдущему ограничению, происходит одновременное снижение л_вд < я_ВДтах и 7"* < 7"*_тах. Таким образом, плунжерный топливный насос переменной производи­тельности с регулятором частоты вращения ротора ВД, всережимный регулятор предельной температуры газов за турбиной, ограничитель р_ктах, а также центробежный регулятор ЦР-1-30К полностью автомати­зируют процесс управления двигателем на максимальном режиме в соответствии с программой я_вд = л_Вдтах = const. Кроме этого, САУ с достаточной точностью осуществляет ограничение предельно допустимых значений параметров. Т'_та%; п_ВЛтах; п_ттах и р;_тах. Однако параметры 7"*, л_вд, л_Нд требуют в полете постоянного контроля со стороны экипажа, поскольку в случае неисправности двигателя даже кратковременные превышения их допустимых значений может привести к серьезным отказам силовой установки.