Практическое занятие № 12
«Основные правила технической эксплуатации электрифицированных систем управления и регулирования силовых установок самолётов и вертолётов»

Содержание группового занятия Введение

Управление режимами работы ГТД автоматизировано и осуществляется с помощью регулирования подачи топлива, поворота лопаток направляющего аппарата компрессора, открытия и закрытия лент перепуска воздуха ступеней компрессора, изменения площади выходного, сечения реактивного сопла. Системы управления режимами представляют собой сочетание электрических, пневматических и гидравлических устройств.

Грамотная техническая эксплуатация всех систем летательного аппарата является основным условием безотказной и надёжной работы эксплуатируемой авиационной техники, а также способствует повышению безопасности полётов.

Выполняемые на ВС работы, их объём и периодичность определены в регламенте технического обслуживания (РТО, ЕРТЭ), который разрабатывается для каждого типа ВС.

Вопрос №1. Лётная и техническая эксплуатация систем электроавтоматики двигателя

В качестве примера рассмотрим один из вариантов электрической системы управления тягой ГТД на форсажном режиме с изменяемой геометрией реактивного сопла. Здесь управление величиной тяги при максимальной скорости вращения турбокомпрессора и максимально допустимой температуре газов перед турбиной достигается плавным изменением площади сечения реактивного сопла и подачи топлива в соответствии с положением рычага управления двигателем РУД.

Основным управляемым параметром двигателя, как правило, является его тяга (мощность). Применение форсажной камеры в конструкции двигателя необходимо для создания дополнительной тяги, т.е. для увеличения общей тяги двигателя.

Мы рассмотрим систему управления (изменения) тягой на форсажных режимах при помощи изменения геометрии (площади) реактивного сопла.

Данные система обеспечивает изменение площади F_с выходного сечения реактивного сопла по заданной программе рис. 1 в зависимости от частоты вращения n_в ротора высокого давления РВД двухвального ТРД (на рисунке частота вращения дана в процентах максимального значения) и от угла поворота α валика панели управления режимами ПУРТ, отсчитываемого по шкале на лимбе ПРУТ.

При малых частотах вращения для облегчения запуска и разгона ТРД сопло полностью открыто (F_с = F_{с max}). Когда частота вращения достигает 66%, сопло прикрывается до положения соответствующего максимальному режиму (F_с = F_{с min}), При значении угла поворота валика панели управления режимами α = 73 градуса включается форсаж и сопло приоткрывается до положения, соответствующего площадке минимального форсажа. При этом включение форсажа может произойти только в случае, если частота вращения достигла 98% по ротору низкого давления (РНД) после замыкания контактов ГЗ рис. 2

Р ис. 1 Программа изменения площади F_С выходного сечения реактивного сопла в зависимости от частоты вращения n_в ротора высокого давления и от угла

поворота α валика панели управления режимами ПУРТ

Дальнейшее перемещение РУД в сторону полного форсажа (что соответствует углу поворота валика панели управления режимами α = 108 градусов) приводит к плавному открытию сопла и увеличению степени форсирования до максимального значения.

Система обеспечивает выполнение следующих функций:

- открытия створок реактивного сопла перед запуском;

- закрытие створок реактивного сопла при достижении турбокомпрессором определённой частоты вращения и замыкания кулачков Г;

- гистерезис по частоте вращения турбокомпрессора в закрытии и открытии створок реактивного сопла с целью устранения режимов автоколебаний благодаря наличию кулачков В и Г;

- включение форсажного режима только после того, как частота вращения турбокомпрессора достигнет максимального значения после замыкания контактов ГЗ;

- обеспечение необходимых временных задержек между моментом открытия створок реактивного сопла и моментом подачи топлива в форсажную камеру;

- аналоговое изменение площади выходного сечения реактивного сопла и тяги ТРД на форсажном режиме работы в зависимости от положения РУД;

- приоткрытие створок реактивного сопла в положении регулируемого максимала при включении системы сдува пограничного слоя СПС.

Пограничный слой – тонкий слой на поверхности ЛА, в котором проявляется эффект вязкости.

Гистерезис (от греческого отстающий) - свойство систем (физических, биологических и т. д.), мгновенный отклик которых на приложенные к ним воздействия зависит, в том числе и от их текущего состояния, а поведение системы на интервале времени во многом определяется её предысторией. Для гистерезиса характерно явление «насыщения», а также неодинаковость траекторий между крайними состояниями (отсюда наличие остроугольной петли на графиках). Не следует путать это понятие с инерционностью поведения систем, которое обозначает монотонное сопротивление системы изменению её состояния.

Рис. 2. Электрическая схема системы управления тягой на форсажном режиме

ГТД с изменяемой геометрией реактивного сопла работает следующим образом.

При включении бортсети под напряжение срабатывает электромагнит ЭКСМ, обеспечивающий при наличии давления в гидросистеме, закрытие створок в положении МАКСИМАЛ.

Перед запуском двигателя включается АЗС ФОРСАЖ – МАКСИМАЛ. При этом питание поступает на обмотку реле Р1 и к релейному автомату времени. Срабатывание реле Р1 приводит к отключению ЭКСМ и включению электромагнита ЭКСФ обеспечивающего полное открытие створок в положении ФОРСАЖ. Через концевой выключатель положения створок КВПС загорается сигнальная лампа Л2 СТВОРКИ ОТКРЫТЫ.

Релейный автомат времени, состоящий из четырёх реле РВ с выдержкой времени на отпускание и набора выключателей А – Е, обеспечивает необходимые задержки времени начала открытия створок реактивного сопла и подачи топлива от форсажного насоса-регулятора. Преждевременная подача топлива в форсажную камеру может привести к чрезмерному повышению температуры на турбине на турбине и повреждению её лопаток, а преждевременное открытие створок реактивного сопла – к значительному уменьшению температуры на турбине и снижению тяги двигателя.

Необходимые выдержки времени устанавливаются путём замыкания двух определённых выключателей: одного – в цепи обмотки реле Р16, а другого – в цепи обмотки реле Р17.

Подача напряжения к релейному автомату времени через нормально замкнутые контакты реле Р5 обеспечивает «взведение» его. Последовательно срабатывают реле РВ1, РВ2, РВ3, РВ4 и напряжение подводится к выключателям А – Е. Срабатывают реле Р16 и Р17, размыкая своими контактами цепи питания реле Р8 и Р9, обеспечивающих соответственно работу элементов схемы на открытие створок реактивного сопла и на подачу топлива от форсажного насоса – регулятора.

После запуска двигателя при частоте вращения турбокомпрессора 60% и 66% последовательно срабатывают микровыключатели В и Г блока БУ.

Замыкание контактов В не вызывает переключений в схеме. При замыкании контактов Г срабатывает реле Р2, которое самоблокируется через замкнутые контакты В и Р2, и выключается реле Р1, что приводит к отключению ЭКСФ и включению ЭКСМ. Створки реактивного сопла перекладываются в положение МАКСИМАЛ и остаются в этом положении до включения форсажного режима.

Для повышения надёжности перекладки створок в положение МАКСИМАЛ при частоте вращения турбокомпрессора 70% срабатывает микровыключатель Е, что приводит к выключению реле Р3 и замыканию дополнительной цепи обмотки электрогидрокрана ЭКСМ. При включении форсажных режимов срабатывает реле Р5 и отключает дополнительную цепь ЭКСМ.

Микровыключатель Д обеспечивает включение и выключение блокировки форсажного режима (подачу форсажного топлива, раскрытие и закрытие створок реактивного сопла).

Когда частота вращения ротора низкого давления РНД превышает 98%, замыкаются контакты ГЗ концевого выключателя гидрозамедлителя топливного насоса – регулятора и подаётся напряжение на панель управления режимами ПУРТ. Этим обеспечивается включение форсажа лишь при максимальной частоте вращения.

При установке РУД на упор МАКСИМАЛ замыкаются контакты ПК и БСФ и включают реле Р4 и Р5. Контакты реле Р4 блокируют контакты ГЗ, Г и Д. Блокировка необходима на случай, если в момент включения форсажа частота вращения турбокомпрессора уменьшится.

Контакты реле Р5 замыкают цепь питания реле Р10, включающего пусковую катушку зажигания форсажной камеры КНА ФК и электромагнитные клапаны топливных карбюраторов ЭКТК, открывающие подачу топлива к пусковым форсункам воспламенителя форсажной камеры. Происходит розжиг топлива в форсажной камере.

Другая пара контактов реле Р5, размыкаясь, включает в работу автомат времени. Последовательно размыкаются контакты реле РВ1, РВ2, РВ3, РВ4, каждое из которых имеет выдержку времени на отпускание, равную 0,5 с. С установленной выдержкой времени в зависимости от положения выключателей А – Е отключаются реле Р16, Р17 и включается реле Р8 и Р9. Контакты реле Р8 включают электромагнитный клапан ЭКНР, открывающий подачу топлива к форсункам форсажной камеры, и лампу сигнализации Л1 (ФОРСАЖ ВКЛЮЧЁН). Контакты реле Р9 отключают ЭКСМ и включают реле Р11, обеспечивающее подвод напряжения к мостовой схеме следящей системы управления створками на форсажных режимах.

Мостовая схема образована реостатным датчиком ДР, щётки которого механически связаны с РУД, датчиком обратной связи ДОС, щётка которого связана со штоком одного из гидроцилиндров, перемещающих створки реактивного сопла, и регулируемыми резисторами R1_ф и R_мф.

В диагональ моста, образованного реостатным датчиком ДР и датчиком обратной связи ДОС, включена обмотка поляризованного реле ПР. Так как щётка датчика обратной связи ДОС находится в крайнем положении, соответствующем минимальной площади сопла, а щётка реостатного датчика ДР переведена с помощью РУД в положение, соответствующее минимальному форсажу, то мост оказывается разбалансированным и следящая система вступает в работу. Поляризованное реле ПР срабатывает, замыкая цепь питания реле Р6, включающего ЭКСФ, происходит открытие створок реактивного сопла и перемещение щётки датчика обратной связи ДОС до положения, при котором мост будет сбалансирован, а створки откроются до положения соответствующего минимальному форсажу. Контакты 0 – 1 поляризованного реле при этом разомкнутся, якорь займёт нейтральное положение.

По мере розжига форсажной камеры форсажный насос – регулятор повышает давление топлива. Как только давление достигнет определённого расчётного значения, размыкаются контакты НР. При этом обесточивается обмотка реле Р10, выключаются клапаны ЭКТК и катушка зажигания форсажной камеры КНА ФК.

При перемещении РУД в сторону увеличения тяги вплоть до полного форсажа, электрический мост будет разбалансировываться, и выдавать сигнал на дальнейшее открытие створок реактивного сопла. При этом изменение подачи топлива от форсажного насоса – регулятора осуществляется автоматически в зависимости от давления в форсажной камере.

Плавное регулирование тяги на форсажных режимах происходит до момента замыкания контакта Ф на панели ПУРТ при установке РУД в положение ПОЛНЫЙ ФОРСАЖ (угол поворота валика панели управления режимами α = 108 градусов). При замыкании контакта Ф получает питание обмотка электромагнитного клапана стравливания воздуха ЭКС. Клапан срабатывает, в результате чего происходит резкое увеличение подачи топлива от форсажного насоса – регулятора и соответственно увеличение тяги двигателя до максимального значения.

Когда РУД перемещается в обратную сторону, прежде всего, отключается питание от электромагнитного клапана стравливания воздуха (ЭКС). В этот момент тяга двигателя уменьшается скачком. В дальнейшем происходит плавное закрытие створок реактивного сопла и уменьшение тяги. При этом разбаланс моста приводит к замыканию контактов 0 – 2 поляризованного реле и срабатыванию реле Р7, происходит включение ЭКСМ и закрытие створок реактивного сопла.

Если РУД резко перемещается из положения ФОРСАЖ в положение МАКСИМАЛ, то размыкаются контакты ПК и БФС и выключается реле Р5. Однако отключение реле Р8 и Р9 не происходит, так как они продолжают получать питание через замкнувшиеся контакты реле Р14, и клапан ЭКНР не выключается.

Такая блокировка исключает прекращение подачи топлива в форсажную камеру при открытых створках реактивного сопла. В противном случае возможно самовыключение авиадвигателя, так как происходит плавное закрытие створок реактивного сопла, в процессе которого подача топлива в форсажную камеру соответственно уменьшается.

Перекладка створок реактивного сопла в положение МАКСИМАЛ приводит к сбалансированию электрического моста, размыканию контактов 0 – 2ПР, выключению клапана ЭКНР и лампы сигнализации Л1.

При уменьшении частоты вращения ГТД последовательно размыкаются контакты Е, Г, и В. Размыкание контактов Е и Г не приводит к раскрытию створок. Они открываются лишь при размыкании контактов В и срабатывании реле Р2 и Р1.

В случае отказа следящей системы, обеспечивается плавное управление тягой, схема позволяет осуществлять аварийное включение и выключение полного форсажа.

Для аварийного включения полного форсажа включается выключатель АВФ; при этом срабатывает реле Р15, контакты которого переключают цепь обмотки реле Р5 с контактов БФС на контакты Ч ПУРТ и снимают напряжение с подвижного контакта поляризованного реле ПР. Следящая система в работе не участвует, а реле Р5 срабатывает только при замыкании контактов Ч, что происходит, когда РУД будет установлен на угол α = 100^º по лимбу ПУРТ. При срабатывании реле Р5 включается реле Р10 и в работу вступает автомат времени, включаются клапаны ЭКТК и пусковая катушка КНА ФК. С установленными выдержками срабатывает реле Р8 и Р9, включая клапан ЭКНР, лампочку сигнализации Л1 и электромагнит ЭКФС, створки реактивного сопла полностью открываются. Выключение форсажного режима в этом случае производится размыканием контактов Ч или выключателем АВФ. Программа управления площадью реактивного сопла на рис.1 показана штрихпунктирной линией.

Выключатель И осуществляет блокировку контактов Г, Д, Е и ГЗ при проверке работы системы на земле без запуска двигателя.

Включение системы сдува пограничного слоя СПС на режиме МАКСИМАЛ уменьшает количество воздуха, поступающего к турбине, что вызывает повышение температуры газа перед турбиной.

Для предотвращения недопустимого перегрева турбины одновременно с выключением системы сдува пограничного слоя необходимо приоткрыть створки реактивного сопла. Это достигается путём включения и перестройки электрического моста следящей системы с помощью реле Р12. При этом в мостовую схему включаются резисторы R_мф и R2_ф, происходит разбаланс электрического моста и замыкание контактов 0 – 1 поляризованного реле ПР, что приводит к приоткрыванию створок в положение РЕГУЛИРУЕМЫЙ МАКСИМАЛ. В случае изменения сопротивления датчика ДР створки створки регулируемого сопла не меняют своего положения, так как датчик включается в диагональ моста и баланс электрической мостовой схемы не нарушается.

Размыкание контактов реле Р12 в цепи реле Р5 исключает возможность включения форсажного режима. Контроль диаметра створок в этом положении на неработающем авиадвигателе производится с помощью выключателя РМ.

Для повышения запаса устойчивой работы авиадвигателя на больших и средних высотах включается высотный корректор приёмистости. При падении давления воздуха на выходе в двигатель до определённого значения срабатывает сигнализатор давления и включается электромагнитный клапан ЭМ, вводя в действие дополнительный дроссельный пакет высотного корректора. Общее время приёмистости увеличивается. Выключатель ОП (отладка приёмистости) позволяет проверить высотную приёмистость на земле.

В процессе эксплуатации производится периодический контроль правильности работы системы, а также соответствие положения створок реактивного сопла положению РУД. Временные задержки на подачу топлива в форсажную камеру и на открытие створок подбираются iij условия, чтобы при включении форсажа провал температуры газа за турбиной не превосходил определенной величины. Заброс температуры недопустим.

Электрические системы ограничения температуры газов ГТД

Н адежность и ресурс работы основных частей ГТД, особенно лопаток газовой турбины, в сильной степени зависит от величины и продолжительности забросов температуры газов на выходе камеры сгорания, которые имеют место в процессе регулирования режимов работы двигателя.

Рис. 3. Функциональная схема системы ограничения температуры газов ГТД

Для повышения точности регулирования подачи топлива в камеру сгорания и уменьшения продолжительности и величины забросов температуры газов на входе турбины в ряде случаев автоматы дозировки топлива снабжаются автоматическими системами ограничения температуры газов перед турбиной. Подобные системы позволяют наиболее полно использовать возможности ГТД.

Функциональная схема системы ограничения температуры газов ГТД изображена на рис. 3.

Непосредственное измерение температуры газов перед турбиной технически трудно выполнить. Поскольку при постоянной температуре газов перед турбиной температура газов за турбиной будет зависеть от высоты полета, то в существующих системах ограничения температуры замеряется температура газов за турбиной и осуществляется коррекция программы ограничиваемых температур по высоте полета с помощью высотного корректора.

В качестве измерителя температуры газов за турбиной применяется блок термопар, термоэлектродвижущая сила которого сравнивается с напряжением, выдаваемым задатчиком ограничиваемых температур. Обычно задатчик выдает четыре значения напряжения, соответствующие ограничиваемым температурам основных режимов (запуск, номинальный, максимальный) работы двигателя и режиму проверки системы на земле. Напряжения номинального и максимального режимов корректируются по высоте от высотного корректора.

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема дифференцирующей цепочки

Усилитель системы имеет несколько каскадов. Первые каскады — магнитный усилитель и фазовый дискриминатор. Напряжение с выхода фазового дискриминатора подается на корректирующий контур, в качестве которого применяется дифференцирующая цепочка вида (рис. 4). С помощью корректирующего контура снижается уровень динамических ошибок системы, обусловленных в основном значительной постоянной времени измерителя температуры газов. Выходная часть усилителя включает магнитный усилитель и усилитель мощности. Фазовый дискриминатор и усилитель мощности выполняются на полупроводниковых элементах.

В зависимости от исполнительного механизма, который непосредственно воздействует на автомат дозировки топлива, системы бывают статические и астатические. В статических системах в качестве исполнительного механизма применяется пропорциональный электромагнит, изменяющий положение регулирующего органа автомата дозировки топлива на величину, пропорциональную превышению температуры газов от заданного значения. Исполнительным механизмом астатических систем является электродвигатель. В этом случае обеспечивается скорость перестановки регулирующего органа автомата дозировки топлива, пропорциональная превышению температуры.

В ряде случаев для обеспечения лучших динамических характеристик применяется коррекция по скорости вращения турбокомпрессора.

Задатчик ограничения температуры и усилитель конструктивно составляют один агрегат. Там же имеется блок стабилизации напряжения питания. Имеется также замедлитель, который вступает в работу при перенастройке регулятора с более высокой температуры (максимальный режим) на более низкую (поминальный режим).

Вывод: На примере системы управления (изменения) тягой на форсажных режимах при помощи изменения геометрии (площади) реактивного сопла, можно увидеть совместную работу систем автоматического регулирования и ограничения определённых параметров двигателя.

Вопрос № 2. Характерные отказы электроавтоматики двигателя и методы их предупреждения.