книги из ГПНТБ / Шевяков, Алексей Андреевич. Автоматика авиационных силовых установок учебник для авиационных вузов

Дифференцируя исходные выражения по и и по <р, получим

Частные производные (да/дК)0 и (дХ/ду)о берутся из характе­ ристик винтов графическим дифференцированием, причем для опре­ деления (дК/дц>)о эти характеристики необходимо предварительно перестроить в соответствующие координаты.

Рассмотренные двигатели в соответствии с полученными выше уравнениями движения можно представить в виде структурных схем. Так, на фиг. 2.60 представлена структурная схема одновальнсго ТВД с обычным редуктором, а на фиг. 2. 61 — с дифференци­ альным ’редуктором и двумя соосными винтами. Там же условно показано возможное подключение регуляторов.

числа его оборотов и температуры газов перед турбиной. Для этого необходимо иметь два отдельных регулятора — регулятор числа оборотов и регулятор температуры газов для ТРД с регулируемым соплом и только один регулятор числа оборотов для ТРД с нере­ гулируемым соплом.

Для быстрого перевода ТРД с минимального режима работы на максимальный необходимо иметь еще одно дополнительное устройство, которое называется автоматом (регулятором) приеми­ стости (разгона). Иногда же требуется ограничивать максималь­ ную тягу двигателя или крутящий момент турбокомпрессора, для чего нужны дополнительные регулирующие устройства. Для неко­ торых типов двигателей требуется поддерживать заданными не только «физическое» число оборотов п двигателя, но и комплекс

вида nm= n lV 7). Очевидно, в этом случае система управления дви­ гателем дополняется еще одним устройством.

Самолеты с несколькими двигателями должны иметь устрой­ ство, синхронизирующее работу всех двигателей по развиваемой ими тяге (мощности). Чтобы синхронизировать работу некоторых перечисленных устройств и регуляторов, необходимо иметь устрой­ ство объединенного управления, позволяющее осуществить перена­ стройку регулирующих устройств для изменения режимов работы двигателя.

Из перечисленного следует, что для автоматического управления режимами работы двигателя требуется довольно много регулято­ ров и других устройств, что в целом очень усложняет систему управ­ ления.

В дальнейшем все перечисленные регуляторы и другие устрой­ ства, входящие в систему управления двигателем, будем называть

системой автоматического управления режимами работы двигате­ ля. Отдельные же регуляторы этой системы, рассматриваемые с объектом регулирования, будем называть конкретной системой автоматического регулирования, например системой регулирования числа оборотов и др.

Исходя из приведенных выше эксплуатационных свойств ТРД, к их системе автоматического управления предъявляются очень жесткие требования как в отношении допустимых динамических и установившихся погрешностей, так и в отношении надежности их работы в процессе эксплуатации.

Требования к отдельным системам автоматического регулиро­ вания и, следовательно, ко всей системе управления можно вы­ явить при совместном рассмотрении двигателя и самолета как еди­ ной динамической системы, при условии предъявления к ней опре­ деленных эксплуатационных требований, которым должен отвечать летательный аппарат. Часть этих требований должна выполняться за счет свойств самолета (планера), а остальная часть — за счет свойств двигателя. Если такие требования к двигателю известны,

то можно определить и те требования, которые необходимо предъ­ являть и к системе автоматического управления двигателем.

К разным классам самолетов должны предъявляться различ­ ные требования как к двигателю, так и к системе его управления. Подробный разбор этого вопроса выходит за рамки рассматривае­ мых в настоящей книге вопросов, поэтому ограничимся лишь пере­ числением основных требований к отдельным системам регулиро­ вания двигателей. В основном эти требования к газотурбинным двигателям сводятся к следующему:

С и с т е м а р е г у л и р о в а н и я ч и с е л о б о р о т о в

1. Заданное число оборотов двигателя на основных режимах должно поддерживаться с максимально возможной точностью

ив любом случае с погрешностью менее 0,5®/о.

2.Перерегулирование в переходном процессе от всех возмож­ ных видов возмущений не должно превышать 2—4'°/о при макси­ мальном режиме работы двигателя.

3.Характер переходного процесса должен быть монотонным, однозначным или близким к нему.

4. Время переходного процесса должно быть не более 2ч-3 сек. 5. Система регулирования числа оборотов должна быть пригод­ ной для всех рабочих режимов работы двигателя (от режима, со­

ответствующего малому газу, до максимального режима).

С и с т е м а р е г у л и р о в а н и я т е м п е р а т у р ы г а з а

1.Заданная температура газа на максимальном режиме рабо­ ты двигателя должна поддерживаться с максимально возможной точностью, и в любом случае с погрешностью менее 0,5-ч-0,8%.

2.Величина перерегулирования в переходном процессе от всех

возможных видов возмущения не должна превышать несколь­ ких процентов, время же, в течение которого проходит процесс пе­ ререгулирования (заброс) в сторону увеличения температуры, не должно превышать l,0-f-l,5 сек.

3.Время переходного процесса не более 3 сек.

4.Система регулирования температуры газов должна быть всережимной.

О с т а л ь н ы е у с т р о й с т в а с и с т е м ы у п р а в л е н и я

1.Ограничители максимальных чисел оборотов должны рабо­ тать с погрешностью менее 0,5е/» во всех условиях полета само­ лета.

2.Требования к переходным процессам при работе ограничи­ теля числа оборотов такие же, как и для регулятора числа обо­ ротов.

3.Ограничители максимальной температуры газов должны ра­ ботать с точностью до 0,5% во всех условиях полета самолета.

132Глава 111. Системы, автоматического управления ГТД

4.Требования к переходным процессам при работе ограничи­

теля температуры газов такие же, как и для регулятора темпера­ туры.

5.Управление режимами работы двигателя должно осуще­ ствляться от одной ручки управления.

Требования к остальным устройствам системы управления на­

столько разнохарактерны, что обобщать их для всех двигателей нецелесообразно.

Возможные структурные схемы систем управления

Исходя из выявленных свойств объекта регулирования и пере­ численных выше основных требований к отдельным системам ре­ гулирования, можно определить необходимые свойства отдельных регуляторов, входящих в общую систему управления двигателем. Выясним возможные принципы построения схем систем управ­ ления.

Если имеются несколько регулируемых параметров в одном объ­ екте регулирования, иногда целесообразно применять часть регу­ ляторов, работающих по замкнутой схеме, а часть по разомкнутой. Это объясняется тем, что применение нескольких регуляторов, ра­ ботающих по замкнутой схеме на одном объекте регулирования, приводит к взаимному влиянию одного контура регулирования на другой через объект регулирования и в результате система авто­ матического регулирования получается с меньшим запасом устой­ чивости.

Переходные процессы можно улучшить применением принципа автономного регулирования к таким системам, однако при этом, как правило, усложняется вся система, что не всегда приемлемо на практике. Применение части регуляторов, работающих по ра­ зомкнутой схеме, позволяет избежать влияния одного контура ре­ гулирования на другой и тем добиться повышения запаса устойчи­ вости. При этом нужно учесть, что замкнутая схема регулирования позволяет более точно поддерживать регулируемый параметр по сравнению с разомкнутой, что объясняется самим принципом ра­ боты той и другой схемы. Тем не менее в очень многих случаях все же целесообразно применять разомкнутые схемы, что и нашло свое применение на практике.

Для ТРД с нерегулируемым реактивным соплом единственным управляющим фактором является расход топлива, в то время как регулируемыми параметрами могут быть числа оборотов двига­ теля и температура газа. Для таких двигателей в качестве регули­ руемого параметра обычно принимают число оборотов, поэтому температура газов лишь ограничивается по максимальному значе­ нию. Необходимость ограничения температуры газа для таких дви­ гателей объясняется изменением внешних условий полета, в ре­ зультате чего одному и тому же значению числа оборотов может соответствовать различное значение температуры газа.

Для ТРД с регулируемым реактивным соплом имеется два управляющих фактора — расход топлива и площадь реактивного сопла; поэтому можно применить два регулятора — регулятор чис­ ла оборотов и регулятор температуры газов.

Для такого двигателя можно применить либо оба регулятора, работающие по замкнутой схеме, либо один из них (регулятор тем­ пературы), работающий по разомкнутой схеме. В последнем случае система будет проще, но точность поддержания заданного значения температуры газа будет относительно меньшая, что в основном объ­ ясняется трудностью осуществления такого счетно-решающего устройства, которое бы при n=const учитывало изменение внешних

условий рн \ ТH\V и с соответствующей точностью изменяло бы ве­ личину проходного сечения реактивного сопла. Действительно, пе­ редаточные функции для объекта регулирования при n = const,

когда входом являются рн , Тн , V, а выходом — величина Т з, ста­ новятся очень сложными; ввиду этого формировать сигналы в счет­ но-решающем устройстве практически оказывается трудной зада­ чей. Поэтому очень часто выбирают приближенный и простой закон коррекции по внешним условиям, однако этот закон „не по­ зволяет достаточно точно поддерживать заданную величину тем­ пературы газа с помощью разомкнутой схемы.

Таким образом возможные схемы регуляторов (с точки зрения работы по замкнутой или разомкнутой схемам) для ТРД с нере­ гулируемым и регулируемым реактивными соплами в самом про­ стом случае можно свести к вариантам, приведенным в таблице.

Возможные укрупненные структурные схемы систем управле­ ния для ТРД с нерегулируемыми и регулируемыми реактивными соплами показаны на фиг. 3. 1.

Для ТРД с нерегулируемым соплом иногда вместо регулятора числа оборотов применяют регулятор расхода топлива с дополни­ тельным корректирующим устройством по внешним условиям р ч,

7 V с воздействием на расход топлива (или на настройку регу-

Фиг. 3. 1. Укрупненные структурные схемы ТРД с регулируемыми и нерегулируемыми реактивными соплами с регулятором числа оборотов.

лятора расхода топлива). Здесь регулируемым параметром являет­ ся расход топлива и по отношению к нему система регулирования работает по замкнутой схеме, а по отношению к числу оборотов— по разомкнутой.

Применение регулятора расхода топлива имеет свои положи­ тельные и отрицательные стороны. Положительной стороной яв­ ляется то, что при постоянном расходе топлива динамические ха­ рактеристики объекта регулирования изменяются в лучшую сто­

рону, т. е. при этом увеличивается значение коэффициента самовыравнивания р. В этом случае значение р будет соответство­ вать объекту регулирования без учета влияния топливной системы.

Отрицательной стороной является то, что регулятор расхода топлива с корректирующим устройством не может достаточно точ­ но поддерживать заданный режим двигателя по числу оборотов из-за влияния внешних условий, так как по отношению К числу оборотов такая схема регулятора является разомкнутой.

Укрупненная структурная схема такой системы регулирования представлена на фиг. 3. 2.

Фиг. 3. 2. Укрупненная структурная схема ТРД с нерегулируемым реактивным соплом с регуля­ тором расхода топлива.

Для двухвального турбореактивного двигателя с нерегулируе­ мым реактивным соплом регулируемыми параметрами могут быть числа оборотов обоих каскадов и температура газа. Управляемый же фактор остается один — расход топлива. Поэтому регулирова­ ние можно осуществлять лишь какого-то одного параметра, а остальные необходимо ограничивать по максимальной величине, воздействуя на расход топлива.

Благодаря наличию газовой связи между обоими каскадами чис­ ла оборотов их в установившемся движении связаны между собой однозначно. Это видно из выражения (2.67), если положить в нем

Х Р = Х а^= 0, и р = 0; тогда оно сводится к выражению Хп1 = КХп ^

Исходя из этого можно регулировать числа оборотов какоголибо одного каскада, а второй будет следить за регулируемым. В переходном же процессе будет какое-то отставание (опережение) одного каскада от другого в зависимости от степени «жесткости» их связи.

Для двухвального ТРД с нерегулируемым реактивным соплом можно применить либо регулятор числа оборотов, либо регулятор

136 Глава III. Системы автоматического управления ГТД

расхода топлива. Возможные укрупненные структурные схемы при­ ведены на фиг. 3. 3, а, б.

Для двухвального ТРД с регулируемым реактивным соплом имеются два управляющих фактора — расход топлива и проходное

норре/т ир. устройство

ттт

р г V

Ъ'н v 5}

Фиг. 3. 3. Укрупненные структурные схемы двухвального ТРД с нерегулиру­ емым реактивным соплом с регуляторами числа оборотов и 'расхода топлива.

В соответствии с этим могут быть несколько способов подклю­ чения регуляторов к двигателю. Эти способы можно записать так:

1) GT- ^ n l- Рс-т>п2\ Т3тзх^~ ограничивается От.

2)От-»га2; Fc- ^ n 1; Гзтах^-ограничивается GT.

3)GT->T3; Fc—>nl; л2п)ах-е-ограничивается GT.

Эта запись означает, что определенным управляющим фактором регулируется (ограничивается) определенный регулируемый пара­ метр.

Остальные способы, как возможные сочетания управляющих факторов и регулируемых параметров, практически мало пригодны из-за малой эффективности влияния управляющих факторов на ре­ гулируемые параметры, т. е. ввиду малых значений коэффициентов усиления в уравнениях движения.

комплекс параметров для форсажного контура, а управляющими факторами являются расход топлива в основной контур, расход топлива в форсажное устройство и площадь проходного сечения реактивного сопла.

Для такого двигателя, когда величиной площади проходного сечения реактивного сопла устанавливается режим форсажа и по­ этому эта координата уже не будет входить в число управляющих

Фиг. 3. 4. Укрупненная структурная схема двухвального ТРД с регулируемым реактивным соплом с двумя регуляторами числа оборотов.

факторов, согласно уравнениям (2. 100-н2. 103) могут быть сле­ дующие способы управления:

7lmax ограничивается GT;

2)GT-»7l; Ст-ф->тг* или р\ или другой комплекс;

п<—ограничивается GT.

Если режим форсажного контура задается расходом топлива в форсажную камеру GVф, то в указанных законах управления нуж­ но вместо С^.ф подставить Fc.

Для основного контура могут применяться как регулятор числа оборотов, так и регулятор расхода топлива с корректором по внеш­ ним условиям; укрупненные структурные схемы приведены на фиг. 3. 5, а, б.