12.2. Законы управления трдд при дросселировании

Закон управления двигателем при дросселировании должен обеспечивать на установившихся крей­серских режимах оптимальную экономичность при допустимой силовой и тепловой нагруженности узлов, необходимую степень дросселирования и хорошую приемистость.

Степень дросселирования оценивается отношением максимальной тяги к минимальной. Для ТРДД полный диапазон дросселирования может составлять

P_mJP_mm= 15... 50 (Я = 0; М = 0).

При увеличении высоты этот диапазон сужается и на крейсерских режимах полета составляет 1,0.. .5,0.

Единственно возможный закон управления при дросселировании ТРДД с неизменной геометрией реализуется уменьшением расхода топлива, что сопровождается снижением частот вращения роторов и температур газа. Этот закон наиболее прост, хотя и не оптимален с точки зрения экономичности, особенно при высоких значениях степени повышения давления в компрессоре. Кроме того, при глубоком дросселировании по такому закону значительно снижается запас устойчивости компрессора, что обуслов­ливает необходимость его регулирования. Несмотря на это данный закон дросселирования широко применяется в двигателях самолетов гражданской авиации.

В соответствии с принятым законом дросселирование двухвального ТРДД со смешением потоков осуществляется уменьшением подачи топлива в камеру сгорания при неизменной геометрии проходных сечений реактивного сопла. При дросселировании двигателя возникает дисбаланс работ турбины и компрессора ВД и НД вследствие снижения давления и температуры газов перед ТВД и ТНД, что приводит к снижению частоты вращения роторов. Однако частота вращения ротора НД снижается интенсивнее, чем частота вращения турбокомпрессора ВД, что является причиной возникновения скольжения роторов S = я_Нд/^лвд. которое уменьшается по мере дросселирования.

Действительно, с уменьшением частоты вращения роторов и снижением КПД компрессора ц1 происходит непрерывное снижение полного давления газа вдоль проточной части, что обусловливает уменьшение общей степени понижения давления газа двигателя. Перепад давлений снижается постепенно, охватывая в первую очередь реактивное сопло и ступени турбины, расположенные близко от выходного сечения двигателя (рис. 12.4). Так, на режиме работы двигателя л_вд = П\ устанавливаются критические скорости течения газа в реактивном сопле и сопловых аппаратах ТНД и ТВД. На режиме л_Вд = ⁿ? возни­кает докритическое истечение из реактивного сопла и, начиная с этого момента, происходит не только сни­жение давления на входе в сопло, но и снижение Лт_НД. Однако скорость газа в первом сопловом аппарате ТНД еще сохраняется критической до частоты вращения пз, поэтому ТВД остается «запертой», т. е. л_твд == cons,t, и только на режимах глубокого дросселирования при п_вд <. пз наступает снижение л*_гвл.

Описанный процесс перераспределения степени понижения давления в двухвальной турбине ТРДД показывает, что на первом этапе дросселирования работа L_THa уменьшается более интенсивно, чем L_JBa.

С другой стороны, с уменьшением частоты вращения КНД увеличиваются углы набегания потока на рабочие лопатки ступеней КНД, в результате чего компрессор «затяжеляется». Кроме того, при дросселировании двигателя происходит увеличение степени двухконтурности т, обусловленное различием степеней повышения давления в контурах (л* » л_вц), которые в основном и определяют расходы воздуха.

Так как л*вн имеющая высокое исходное значение, уменьшается более интенсивно, чем л,,,, то и расход воздуха через внутренний контур снижается гораздо быстрее в сравнении с наружным контуром, обусловливая увеличение т. Поэтому по мере дросселирования двигателя для привода КНД нужна относительно большая работа 1_КНД, чем для привода КВД, который «облегчается» за счет уменьшения углов набегания потока на рабочие лопатки его ступеней и снижения расхода воздуха через внутрен­ний контур.

Следовательно, при дросселировании отношение работ /-кндДтнд интенсивно увеличивается, обеспе­чивая быстрое падение частоты вращения КНД и снижение скольжения роторов (рис_; 12.5, кривая 2).

Закономерность изменения температуры газов перед ТВД при дросселировании Т* = /(л_вд) опреде­ляет эффективность рабочего цикла и тепловую нагруженность деталей горячей части двигателя, так как в двухвальном ТРДД изменение Т' от л_вд полностью зависит от баланса работ турбокомпрессора ВД

^твд ~ '-квд- (12.7)

■

Как видно из рис. 12.4, при дросселировании двигателя на участке от п\ до л₃ л_твд = const, поэтому снижение Т' подчиняется закону изменения /__квд от частоты вращения турбокомпрессора ВД, который носьт примерно квадратичный характер. При дальнейшем дросселировании приходится замедлять и практически прекращать снижение Т* для удовлетворения условия (12.7), так как /__квд, начиная с режима л₃, лимитируется дополнительно величиной л_твд = var. На режимах глубокого дросселирования (л₄ > л_вд) наблюдается значительное увеличение Т', так как л_твд^ настолько мало, что поддержание равновесного режима работы двигателя в условиях низких значений п_к и т|* возможно только при повышен­ных значениях Г*.

Медленное снижение Т' в диапазоне режимов от л₃ до л₄ не только приводит к замедленному снижению тяги и быстрому нарастанию удельного расхода топлива, но и уменьшает запас устойчивости двигателя, а это обусловливает применение средств механизации компрессора.

На двигателях Д.-ЗОКУ и Д-ЗОКП для этой цели предусматривается система перепуска воздуха из-за V и VI ступеней КВД в наружный контур, а также двухпозиционный ВНА. Управление этими средствами механизации осуществляет САУ с помощью центробежного регулятора ДПО-ЗОК и регулятора РНА-ЗОК

В результате одновременного срабатывания средств механизации КВД увеличивается запас устой­чивости компрессора, но происходит нежелательное скачкообразное уменьшение тяги и увеличение удельного расхода топлива (см. рис. 3.3 и 3.4), что является особенностью дроссельной характерис­тики двухвального ТРДД при законе управления F_c = const.

Управление двигателем на режимах с изменением внешних условий производится по двум законам. В диапазоне основных эксплуатационных режимов от максимального до минимального крейсерского режима реализуется закон л_вд = const. Этот диапазон режимов ТРДД называется диапазоном автомати­ческого управления, а частота вращения, при которой вступает в работу регулятор л_вд = const, частотой вращения начала автоматического управления (НАУ) л_ВДНАУ. В этом диапазоне при изменении внешних условий частота вращения ротора ВД сохраняется постоянной, а частота вращения ротора НД изменяется, так как последняя зависит не только от режима работы, но и от скорости и высоты полета.

На неосновных эксплуатационных режимах в диапазоне ручного управления от л_ВДНАУ до л_вдмг с учетом меньшей тепловой и динамической нагруженности деталей двигателя, а также необходимой точ­ности и поддержания на заданном уровне УП, с помощью регулятора постоянного расхода топлива реализуется второй закон управления G_T = const. Регулятор G_T = const обеспечивает необходимую устойчивость работы двигателя, но частоты вращения роторов ВД и НД изменяются по режимам полета, что приводит к необходимости ручного управления расходом топлива с помощью РУД. Дросселирование двигателя на режимах обратной тяги также осуществляется по закону G^ = const.

12.3. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТРДД НА НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ

Динамические свойства ТРДД существенно влияют на летно-тактические характеристики ЛА Эти свойства оцениваются прежде всего приемистостью двигателя, под которой понимается процесс быстрого увеличения его тяги за счет повышения расхода топлива при резком перемещении РУД. Коли­чественно приемистость оценивается временем, необходимым для перехода двигателя с одного режима работы на другой.

В двухвальном ТРДД динамические процессы приемистости и сброса газа существенно отличаются от аналогичных процессов в одновальном ТРДД, что объясняется наличием двух механически несвя­занных турбокомпрессоров, между которыми существует только газодинамическая связь. Эта связь обусловливает скольжение роторов s, которое играет очень важную роль в неустановившихся процессах двухвальных ТРДД. Опыт эксплуатации показывает, во-первых, что s монотонно увеличивается при увеличении режима и, наоборот, уменьшается по мере дросселирования двигателя. Этот процесс схема­тично изображен на рис. 12.5, из которого видно, что скольжение достигает своего предельного значения на максимальном режиме. Так, например, в двигателе Д-ЗОКП при сбросе газа скольжение уменьша­ется от 0,46 до 0,24. Следовательно, относительная частота вращения турбокомпрессора НД на режиме малого газа /г_Ндмг = ^лндмг/«нд_Взл = 0-34 значительно меньше п_вдмг = 0,62. Чем меньше я_Ндмг и больше разница начальных частот вращения роторов, тем медленнее разгоняется турбокомпрессор НД по срав­нению с турбокомпрессором ВД. Возможное уменьшение времени приемистости повышением я_Ндмг часто затруднено, так как частота вращения выбирается из условий получения минимальной тяги на земле (3. . .6% Р_тах).

Увеличение скольжения на повышенных и максимальных режимах происходит в результате повыше­ния ускорения частоты вращения ротора НД за счет «облегчения» КНД, уменьшения т и интенсив­ного увеличения L_THa и уменьшения ускорения частоты вращения ротора ВД вследствие «затяжеления» КВД, уменьшения т и медленного увеличения L_1BJX.

В целом приемистость двухвального ТРДД определяется приемистостью турбокомпрессора ВД, поскольку он выполняет роль газогенератора в двигателе, т. е. источника энергии, обеспечивающего разгон турбокомпрессора НД.

Характер изменения частот вращения роторов НД и ВД двухвального ТРДД приводит к тому, что во время приемистости (рис. 12.5, кривая 3) и сброса газа (кривая /) наблюдается существенное отклонение скольжения от исходных значений на установившихся режимах (кривая 2), хотя газодина­мическое взаимодействие турбокомпрессоров НД и ВД на переходных режимах в некоторой степени компенсирует это рассогласование, сближая их динамические характеристики.

Сущность этого взаимодействия заключается в следующем. Во время приемистости скорость изме­нения частоты вращения ротора ВД больше скорости изменения частоты вращения ротора НД и мощ­ность, необходимая для привода турбокомпрессора ВД, больше мощности турбокомпрессора НД. Турбо­компрессор НД отбирает часть общей мощности турбины и уменьшает скорость изменения частоты вращения турбокомпрессора ВД, который, в свою очередь, ускоряет вращение турбокомпрессора НД, так как увеличивает мощность ТНД вследствие повышения л* и л*.

При сбросе газа из-за «затяжеления» КНД и увеличения т требуется относительно большая мощность для привода турбокомпрессора НД, который, отбирая ее от общей мощности турбины, замед­ляет вращение ротора ВД, в то время как турбокомпрессор ВД, стремясь сохранить повышенные значе­ния л*, л* тормозит процесс сброса частоты вращения ротора ВД.

Однако, несмотря на положительный эффект газодинамического взаимодействия турбокомпрессоров, всегда во время приемистости двигателя появляется отрицательное приращение скольжения—As = = s„_P — 5_Уст, а при сбросе газа — положительное приращение As = s_C6 — s_ycT.

Отрицательное приращение скольжения во время приемистости двигателя, связанное с замедленным темпом набора частоты вращения ротора НД, обеспечивает увеличение запасов устойчивости КНД и позволяет несколько увеличить Т* с учетом кратковременности процесса приемистости и пониженных напряжений в материале рабочих лопаток ТВД при п_вд < я_ВДтах. Таким образом, подача топлива во время приемистости может быть увеличена по сравнению с подачей на установившихся режимах в 1,5... 2,5 раза, что обеспечивает допустимое превышение Т* и сокращает время приемистости.

При сбросе газа возникает положительное приращение скольжения, обусловленное быстрым сниже­нием л_вд и медленным снижением л_нд, в результате чего КВД оказывает дросселирующее воздей­ствие на поток в КНД, что снижает запас его устойчивости. Поэтому при сбросе газа в двухвальном ТРДД необходимо увеличивать время уменьшения подачи топлива, так как в противном случае про­изойдет не только самовыключение двигателя из-за переобеднения и ухудшения качества смеси в камере сгорания, но и может возникнуть помпаж КНД.

Помпаж в КНД при сбросе газа — явление, известное только в двухвальных ТРДД.

На рис. 12.6 представлена динамическая характеристика двухвального ТРДД в пространстве трех измерений с абсциссой п_вд, ординатой п_нд и аппликатой G_T. На этой характеристике нанесены: кривая установившихся режимов АБ, траектории приемистости АВБ и сброса газа БЕЛ, поверхности помпажа КВД и КНД.

Приемистость двигателя по траектории АВД позволяет вести процесс с наибольшим избытком AG_T над расходами топлива на установившихся режимах, что позволяет вследствие высоких значений

■пр

Рис. 12.6. Динамическая характеристика двух­вального ТРДД

Т' располагать большими запасами избыточных мощностей AN_BJX и ЛЛ/^д на турбокомпрессорах, в результате чего достигаются оптимальные ускорения роторов и время приемистости двигателя. Однако, как это видно из динамической характеристики, двигатель в точке Д входит в помпаж по КВД, этому процессу сопутствует отрицательное приращение скольжения роторов. Поскольку помпаж недопустим, то приемистость двигателя необходимо осуществлять по траектории АВБ, эквидистантной поверхности помпажа КВД.

Аналогично при сбросе газа (кривая БЕГ) в точке Г двигатель входит в помпаж по КНД, поэтому сброс газа необходимо проводить замедленно по траектории БЕА.

Таким образом, для корректировки расхода топлива в соответствии с траекториями приемистости АВБ и сброса газа БЕА в САУ двигателя следует ввести автомат приемистости и гидрозамедлитель двустороннего действия, которые полностью автоматизируют работу двигателя на неустановившихся режимах прямой и обратной тяги.

12.4. ОБЩАЯ СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Управление двухвальным ТРДД по принятым программам осуществляется комплексом регуляторов и автоматов. Последовательность и время их работы на режимах удобно представлять на динамической характеристике двигателя, которая в упрощенном виде и однороторном представлении для ТРДД Д-ЗОКУ и Д-30КП показана на рис. 12.7.

аг из я* us ив m qe us wn_t

Работа САУ двигателя начинается, когда давление топлива после HP становится достаточным для организации процесса горения в камере сгорания (точка рф). В этой точке включается в работу топ­ливный автомат запуска ТАЗ и распределительный клапан, предназначенный для распределения топлива по контурам форсунок. Распределительный клапан работает на всех режимах до момента подачи сигнала на останов. ТАЗ вступает в работу с момента подачи топлива (точка р$) до выхода на режим малого газа.

133

Рис. 12.8. Структурная схема САУ:

АП — автомат приемистости; ГДФ4 — гидравлический датчик физичес­кой частоты вращения; ГУ — гидроусилитель; ДК — дроссельный кран; ДПО —датчик приведенных частот вращения; ДР — датчик режимов; ЗСЧ — замедлитель сброса частот; ИМ — исполнительный механизм; КПВ — клапан перепуска воздуха; МО—механизм останова; МОСтВ — механизм отключения воздушного турбостартера; МУЗОВ — механизм управления заслонкой отбора воздуха; РНА — регулятор РВНА; РО — рычаг останова; РТ — регулятор температуры; ТАЗ — топливный ав­томат запуска; ТД — температурный датчик; ЦР—центробежный ре­гулятор; -> — расход топлива;-». — гидравлический и->- — электричес­кий сигналы; = — механическая связь

Траектория линии установившихся режимов в диапазоне от МГ до НАУ обеспечивается регуля­тором G^ = const, а траектория линии НАУ.. .max — регулятором я_вд = const.

Линия МК отражает скачок расхода топлива при срабатывании механизации компрессора, т. е. при срабатывании КПВ и при перекладке лопаток ВНА по командам, поступающим соответственно от датчика приведенных частот вращения ДПО-ЗОК и регулятора РНА-ЗОК.

Траектория линии приемистости на участке от частоты малого газа до частоты НАУ обеспечивается работой замедлителя сброса частоты (ЗСЧ), входящего в состав регулятора расхода топлива. Если приемистость задается с частот выше частоты НАУ, но ниже частоты взлетного режима, то замедлитель не оказывает влияния на приемистость и ее время определяется автоматом приемистости (АП).

Приемистость на участке НАУ... ГОС (гибкая обратная связь) обеспечивается гидравлическим усилителем (ГУ) настройки режимов, работа которого связана с работой регулятора п_ва = const. Точка ГОС соответствует частоте вращения на 1 . . . 1,5% меньше частоты вращения на максимальном режиме и характеризует начало работы ГОС регулятора п_ва — const. Гибкая обратная связь обеспечивает затухание колебаний частоты вращения ротора и его торможение вблизи заданного режима работы двигателя по окончании приемистости, при условии, что колебания частоты Ал_вд и температуры At' не выйдут за пределы допустимых значений. Колебательный процесс торможения ротора по окончании приемистости на динамической характеристике представлен в виде спиральной линии ГОС... max.

При температуре наружного газа выше /„._огр ограничения частоты вращения и температуры газа за турбиной осуществляются ГУ, а при t'„ <. t„ ₀г_Р—механизмом ограничения давления р*_тах.

Максимально допустимая температура газа за турбиной, превышающая на 5°С температуру ограни­чения, при всех реальных температурах наружного воздуха поддерживается всережимным предельным регулятором температуры ВПРТ-44.

Замедление сброса частоты вращения в заданном темпе при резком переводе РУД с максимального режима или некоторого промежуточного в положение, соответствующее малому газу, обеспечивается ЗСЧ регулятора постоянного расхода топлива.

Схема подключения к двигателя, как объекту управления перечисленных автоматических устройств, определяет структурную схему САУ, которая наглядно позволяет представить взаимные связи между отдельными устройствами.

В САУ ТРДД Д-ЗОКУ и Д-ЗОКП в качестве единственного УФ используется расход топлива G_T. Система включает в себя плунжерный топливный насос переменной производительности HP (рис. 12.8) с наклонной шайбой, которая выполняет функцию УО, и регуляторы п_вд = const и С, = const с дрос­сельным краном (ДК). Координация работы регуляторов достигается с помощью механизма объеди­ненного управления, имеющего механическую связь с золотником ДК и ГУ регулятора п_вд = const.

Закон управления двигателя на режимах работы выше НАУ реализуется регулятором п_ва = const. Чувствительный элемент этого регулятора, замеряя отклонение параметра л_вд, названного внешними возмущениями, воздействует на G^ изменением угла у наклонной шайбы HP и устраняет возникшее отклонение.

Применение в данном случае замкнутой системы регулирования ТРДД — регулятор — ТРДД позво­ляет при приемлемых- динамических свойствах ее получить высокую точность регулирования частоты вращения турбокомпрессора ВД. Для ограничения максимально допустимой температуры газов в САУ предусмотрен предельный регулятор ВПРТ-44, который по параметру t* ограничивает t_r в соответствии с соотношением (12.5).

Во время работы двигателя ЭДС с блока термопар температуры t' и приемника температуры t'_BX поступает на регулятор температуры РТ-12-4М (РТ), где напряжение ЭДС сравнивается с опорным напряжением датчика режимов ДР-4М (ДР), которое зависит от положения РУД. Электрический сигнал с РТ поступает в исполнительный механизм ИМТ-З(ИМ), который преобразует его в гидравли­ческий. Гидравлический сигнал, воздействуя на ГУ регулятора /г_вд = const, ограничивает t' и уменьшает расход топлива. На частотах вращения ниже частоты НАУ механизм объединенного управления отключает регуля­тор л_вд = сопз! и подключает регулятор 0_Т = сопзг, который определяет расход топлива в диапазоне ручного управления от я_Вдмг до л_вдна ^{и на} режимах обратной тяги.

Принцип работы этого регулятора основан на поддержании постоянного перепада давлений Д/?_дк = сопз1 на ДК при различных положениях его золотника, т. е. при заданной площади проходного сечения.

При приемистости расход топлива в диапазоне ручного управления корректирует ЗСЧ, который ограничивает перепад давлений Др_дк, воздействуя на угол наклона шайбы. При частичной приемистости от малого газа до режима выше частоты НАУ, но ниже максимального работает пневматический АП, который сравнивает давление топлива, пропорциональное корректированному по р_н перепаду давлений воздуха (р'_к — р'вх), с давлением топлива р_п, пропорциональным квадрату частоты вращения ротора ВД, и подает сигнал на изменение угла наклона шайбы.

Командное давление топлива р_п вырабатывается в гидравлическом датчике физической частоты вращения (ГДФЧ).

Частичная приемистость с режимов, превышающих частоты НАУ, обеспечивается соответственно ГУ и ГОС в результате их воздействия на регулятор я_вд = соп$1, а сброс газа во всем диапазоне частот — ЗСЧ.

Отключение воздушного турбостартера при запуске производится по электрическому сигналу из механизма отключения (МОСтВ), преобразованному из гидравлического давления р_п. Работа ЗОВ на ПОС двигателя также осуществляется по давлению р„ механизмом управления гидроцилиндром заслонки отбора воздуха (МУЗОВ).

Клапаны перепуска воздуха КПВ за V и VI ступенями КВД управляются с помощью датчика приведенных частот ДПО-ЗОК, имеющиго гидравлическую связь с НР и температурным датчиком ТД-ЗОК (ТД), назначением которого является выдача гидравлического сигнала, пропорционального температуре Г_вх. Датчик ДПО вырабатывает также гидравлический сигнал, пропорциональный квадрату приведенной частоты вращения, который служит для управления регулятором РНА-ЗОК (РНА).

В САУ предусмотрен ограничитель частоты вращения турбокомпрессора НД, которым является центробежный регулятор ЦР-1-30К (ЦР)- Этот регулятор при достижении частоты га_нд ^ я_НДогр открывает слив топлива из АП, уменьшая производительность НР и, следовательно, ограничивая увеличение частот вращения ротора НД.

Перевод двигателя на режим обратной тяги производится с помощью РУР, который выдает гид­равлический сигнал на перекладку створок реверсивного устройства и имеет два положения: ПРЯМАЯ ТЯГА и ОБРАТНАЯ ТЯГА.

Управление режимами обратной тяги производится с помощью РУД и регулятора 0_Т = сопз!.

Останов двигателя производится рычагом останова (РО), который имеет два положения: РАБОЧИЕ и ОСТАНОВ, и механизмом останова (МО), который может также включаться по аварийному элек­трическому сигналу.