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

178Глава III. Системы автоматического управления ГТД

Взаключение заметим, что на практике в большинстве случаев применяют гидравлические ВИШ, что связано с простотой их кон­ струкции и надежностью в работе.

Рассмотренные выше схемы управления газотурбинными дви­ гателями не включали устройств, позволяющих осуществить быст­ рый перевод двигателя с малого режима работы на максимальный. Процесс такого перевода обычно называют разгоном двигателя. Особенностью процесса разгона двигателя является зависимость температуры газа от скорости изменения расхода топлива; так как

Фиг. 3. 40. Характеристики расхода топлива при «разгоне» двигателя с помощью регуляторов числа оборотов или расхода топлива.

температуру газа нельзя повышать, выше определенной величины, необходимо ограничивать не только величину расхода топлива, но и скорость ее нарастания. Поэтому использование для разгона дви­ гателя приведенных выше схем регуляторов не представляется возможным.

Для того чтобы разогнать двигатель за минимальное время, необходимо в процессе разгона иметь максимально допустимый избыточный крутящий момент на турбине. Для турбореактивного двигателя с нерегулируемым реактивным соплом это можно до­ стичь повышением температуры газа до максимального значения, а в случае регулируемого реактивного сопла,— кроме того, и рас­ крытием реактивного сопла.

Если бы разгон двигателя осуществлялся с помощью регуля­ торов чисел оборотов или регулятора расхода топлива, работаю­ щих по любой из приведенных выше схем, то, пренебрегая влиянием конечной скорости движения некоторых элементов регуляторов, по­ лучим характеристики расходов топлива в двигатель, приведенные на фиг. 3. 40. Линии 1—2 и 3—4 соответствуют характеристикам

180 Глава III. Системы автоматического управления ГТД

Применяется также и другой способ разгона, когда выдержи­ вается заданным соотношение расходов топлива и воздуха, что в принципе должно давать примерно постоянную температуру газа.

На фиг. 3.41 приведена принципиальная схема автомата прие­ мистости (разгона), позволяющего производить разгон двигателя. Автомат работает так, что при увеличении значения р2* (а зна­ чит— при увеличении расхода воздуха) давление в полости над мембраной увеличивается и тем уменьшается сечение окна пере­ пуска топлива из коллектора, что увеличивает расход топлива

вдвигатель. Если же давление топлива

вколлекторе больше необходимого, то поршенек поднимается кверху и увели­

чивает проходное сечение окна перепу­ ска топлива из коллектора, что умень­ шает расход топлива в двигатель.

Таким образом, в принципе такой ав­ томат приемистости представляет со­ бой весы, по одну сторону которых дей­ ствует сила, пропорциональная р*2, а по

другую сторону—сила, пропорциональ­ ная давлению топлива pi в коллекторе.

приблизительно постоянный состав смеси и постоянную температу­ ру газа.

Недостатком такого автомата приемистости является довольно большая ошибка в точности поддержания заданных избытков рас­ хода топлива, а следовательно, и температуры газа. Это объясняет­ ся главным образом тем, что такой автомат приемистости не реаги­ рует на изменение температуры воздуха за компрессором, и поэто­ му сигнал от рг* не пропорционален расходу воздуха. Повышение температуры воздуха за компрессором приблизительно можно счи­ тать показательной функцией от числа оборотов, т. е.

T\ — Ti — const«" или Т%=Т\-\- const л*.

Поэтому для учета изменения расхода воздуха от изменения величины Т2* необходимо дополнительно подать в систему сигналы либо от Т2*, либо от 7’1*, соответствующих внешним условиям, и от

газа и не будет получена оптимальная приемистость. Если же та­

Фнг. 3. 42. Принципиальная схема автомата приемистости.

/ —клапан с сервомотором, 2—мембранный клапан, 3—регулируемый жиклер, 4—сумми­ рующий рычаг, 5—регулируемый жиклер, 6—сервомотор, 7—игла перепуска, 8—топлив­ ный насос, 9, 10—нерегулируемые жиклеры.

чивой работы компрессора и камеры сгорания лежат ниже границы максимальной температуры (см. фиг. 2.27), приходится общую настройку автомата делать на пониженную температуру газа.

Необходимо также учитывать, что ошибка в точности поддер­ жания температуры газа зависит и от того, что в рассматривае­ мой схеме автомата приемистости подается сигнал, пропорцио­ нальный не величине абсолютного давления за компрессором Р2*. а разности давлений рг*—Рн'> расход топлива также неточно про­ порционален давлению его перед форсункой.

На фиг. 3. 42 представлена схема автомата приемистости, не­ сколько отличного от рассмотренного выше. Дозирование топлива в форсунки осуществляется клапаном 1, который поддерживает по­ стоянный перепад давлений р„—рф с помощью мембранного кла­ пана 2 и регулируемого жиклера 3. Сигнал от величины рг* подает­

182 Глава III. Системы, автоматического управления ГТД

ся через сильфон на суммирующий рычаг 4, на который действует также усилие от пружины, подпертой клапаном 1. Этот рычаг из­ меняет сечение регулируемого жиклера 5 и тем самым изменяет положение сервомотора 6, иглы перепуска 7, а также и величину перепуска топлива из напорной магистрали на вход шестеренча­ того топливного насоса 8.

Этот автомат приемистости работает следующим образом. При переводе ручки управления с малого режима работы двигателя на максимальный давление топлива перед форсунками упадет и тем самым увеличится перепад давлений на клапане 1. В результате мембранный клапан постоянного перепада давлений 2 увеличит проходное сечение жиклера 3 и уменьшит давление топлива в ле­ вей полости сервомотора клапана 1, вследствие чего он переме­ стится в сторону увеличения проходного сечения, т. е. в сторону восстановления перепада давлений. Одновременно с передвиже­ нием клапана 1 влево уменьшится усилие, оказываемое пружиной на рычаг 4, и тем увеличится площадь жиклера 5, в результате чего поршень сервомотора 6 и игла 7 передвинутся кверху, т. е.

всторону увеличения перепуска топлива из напорного коллектора.

Сувеличением чисел оборотов растет значение р-2* и с помощью сильфона пропорционально этой величине уменьшается проходное

сечение жиклера 5, что приводит к увеличению расхода топлива в двигатель.

Таким образом, на дозирующем клапане 1 всегда сохраняется постоянный перепад давлений топлива, а величина расхода топлива изменяется пропорционально величине р-2*.

При максимальном значении рг* перепуск закрывается и даль­ нейшее управление топливом осуществляется с помощью регуля­ торов числа оборотов или расхода топлива. При переходе с макси­ мального режима работы двигателя на малый режим автомат приемистости не вступает в работу, так как при этом усилие со стороны сильфона, реагирующего на р-2*, все еще остается боль­ шим и жиклер 5 также остается закрытым.

Конструктивная схема такого автомата приемистости показана на фиг. 3. 43. Этому автомату приемистости присущи все недостат­ ки, о которых указывалось выше.

Из уравнения движения (2. 35) следует, что если ограничивать скорость изменения (нарастания) расхода топлива, то максималь­ но допустимая температура газа может быть не превышена. Фи­ зически это означает, что сектор газа необходимо переводить не мгновенно, а с какой-то определенной скоростью. Устройства, обес­ печивающие такое передвижение сектора газа, называются замед­ лителями и позволяют безопасно разогнать двигатель.

На фиг. 3. 44 приведена возможная принципиальная схема гид­ равлического замедлителя. При движении ручки управления в сто­ рону увеличения режима окна в поршне оказываются перекрытыми и поршень передвигается вправо за счет поступления масла в ле-

184 Глава III. Системы автоматического управления ГТД

вую лопасть сервомотора через жиклер. Сечение жиклера подби­ рается так, чтобы скорость передвижения сервомотора была за­ данной. При обратном движении ручки управления окна в поршне оказываются открытыми и под действием пружины поршень легко следит за движением ручки управления.

Если гидравлическая характеристика топливного крана линей­ ная, то скорость изменения расхода топлива с помощью указанного замедлителя остается примерно одинаковой. Для получения же оптимальной приемистости она должна быть переменной, как это следует из фиг. 3. 40, где представлена зависимость избытка рас­ хода топлива от числа оборотов двигателя. Выдержать точно не­ обходимый (нелинейный) закон подачи топлива трудно, поэтому разгон двигателя и с помощью замедлителя также не позволяет по­ лучить оптимальной приемистости, т. е. наименьшего возможного времени разгона.

Для двигателей с регулируемым реактивным соплом целесооб­ разно одновременно с работой регулятора разгона двигателя уве­ личивать проходное сечение реактивного сопла и сохранять его та­ ким до момента, когда число оборотов подходит близко к задан­ ному. Далее это сечение необходимо уменьшить до значения, соот­ ветствующего режиму настройки.

Для турбовинтовых двигателей применяются аналогичные устройства разгона, так как характер явления остается тем же. Однако в схеме управления есть некоторое отличие, которое, за­ ключается в том, что для мало стабилизированных регуляторов чисел оборотов винта применяется программная настройка регу­ лятора числа оборотов. Это объясняется следующим: при резкой перенастройке регулятора числа оборотов ВИШ в начале разгона уменьшается шаг винта, в результате чего уменьшается тяга, что по многим причинам недопустимо; уменьшение шага винта проис­ ходит в силу самого способа работы регулятора числа оборотов. Действительно, число оборотов регулируется изменением шага вин­ та, и если почему-либо обороты ВИШ уменьшились по сравнению с заданными, то регулятор стремится уменьшить шаг винта, чтобы возросли обороты.

Аналогичное явление происходит и в том случае, если регулятор перенастраивается. Замедленная же перенастройка регулятора числа оборотов ВИШ позволяет избежать этого явления, т. е. в этом случае не происходит падения развиваемой винтом тяги.

Устройства, позволяющие производить замедленную перена­ стройку регулятора оборотов ВИШ, по принципиальной схеме ана­ логичны приведенной на фиг. 3. 44. В частности, на фиг. 3. 45 при­ ведено устройство замедлителя настройки, где в отличие от фиг. 3. 44 сервомотор выполнен поворотного типа. Рычаг 1, связан­ ный с ручкой управления, поворачивает через кулачок 5 рычаг 4, связанный с дроссельным краном. Рычаг 1 закреплен на валике, правая часть которого выполнена в виде поворотного золотника 9,

управляющего гидравлическим сервомотором 7. Кулачок 6, за­ крепленный на полом валике сервомотора, поворачиваясь, пере­ мещает рычаг 3, управляющий настройкой регулятора ВИШ.

При быстром перемещении ручки управления необходимое за­ паздывание настройки регулятора числа оборотов создается жик-

Фиг. 3. 45. Конструктивная схема замедлителя настройки регулятора числа оборотов ВИШ.

1—рычаг, связанный с ручкой управления, 2—слив масла, 3—к механизму на­ стройки регулятора числа оборотов, 4—к дроссельному крану, 5—кулачок управ­ ления подачей топлива, 6—кулачок управления настройкой регулятора числа оборотов ВИШ, 7—лопатка сервомотора, 8—упор, 9—золотник, 10—жиклер, 11—масляный фильтр, 12—подвод масла.

лером 10, установленным на входе рабочей жидкости в сервомотор и ограничивающим скорость поворота сервомотора.

Кроме рассмотренных выше агрегатов, входящих в общую си­ стему управления двигателем, на некоторых турбореактивных дви­ гателях применяются ограничители максимальной тяги или макси­ мального крутящего момента, развиваемого турбиной. Обычно эти устройства весьма просты и представляют собой ограничители максимального расхода топлива, работающие по сигналу от ве­

личины давления его перед форсунками. Для турбовинтовых же двигателей обычно применяют ограничители крутящего момента, которые также воздействуют на расход топлива.

Некоторой особенностью в общей системе управления двигате­ лем являются устройства, обеспечивающие устойчивую (безопас­ ную) работу компрессора. Как отмечалось выше, под устойчивой работой компрессора понимают беспомпажный режим его работы.

Граница устойчивой работы компрессора при совместной его работе с другими агрегатами — турбиной, камерой сгорания, вход­ ным устройством — во многом определяет свойства двигателя, при­ чем главным образом в процессе неустано;вившегося движения, так

20 W 60 80 /00 п%

Фиг. 3. 46. Перемещение границы помпажа в зави­ симости от температуры воздуха на входе.

1—граница помпажа при температуре воздуха на входе +50° С, 2—то же при —20°, 3—линия рабочих режимов.

как от этого зависит величина допустимой области работы двига­ теля.

В настоящее время точно неизвестно, какими законами опреде­ ляется граница устойчивой работы компрессора в системе двига­ теля; и имеются лишь некоторые накопленные опытные данные. Например, известно, что граница помпажа довольно сильно пере­ мещается в зависимости от величины температуры воздуха на вхо­ де в компрессор и относительно слабо — от давления воздуха на входе.

На фиг. 3. 46 приведен характер изменения границы помпажа от величины температуры воздуха на входе в компрессор; из гра­ фика следует, что допустимая область работы двигателя с умень­ шением температуры воздуха существенно уменьшается.

Такое перемещение границы помпажа затрудняет использовать полностью возможности по оптимальному разгону двигателя, так как допустимые избытки'расхода топлива также должны изменять­ ся по этому закону. В особенно неблагоприятных случаях (не толь­ ко из-за влияния температуры воздуха) граница помпажа может так близко проходить к линии рабочих режимов, что становится невозможным разогнать двигатель.

топлива вследствие смещения рабочей точки на характеристике компрессора, например, путем перепуска части воздуха из-за ком­ прессора (помимо турбины), или путем поворота лопаток направ­ ляющего аппарата компрессора.

Из характеристик компрессора (см. фиг. 2. 20) следует, что при увеличении расхода воздуха при n = const рабочая точка смещается

Фиг. 3.47. Возможные законы управления перепуском воздуха из-за компрессора по числу оборотов двигателя.

вниз и направо, т. е. в сторону от границы помпажа. Этим свой­ ством компрессоров и пользуются для расширения области устой­ чивой работы двигателя. При этом необходимо иметь в виду, что экономичность двигателя в этом случае ухудшается. Однако су­ жение области устойчивой работы двигателя из-за помпажа глав­ ным образом бывает на средних числах оборотов двигателя, т. е. до основных рабочих режимов. На больших же числах оборотов, соответствующих большим режимам, перепуск воздуха из-за ком­ прессора не нужен.

В зависимости от характеристик компрессора перепуск воздуха из-за компрессора может осуществляться по двум законам, как это показано на фиг. 3. 47, когда до области наименьших допустимых избытков топлива перепуск воздуха может быть или его вовсе может и не быть. Устройства, которые применяются для перепуска воздуха как для турбореактивных, так и для турбовинтовых дви­ гателей, по своему принципу работы очень простые, но по кон­ структивному выполнению весьма разнообразные. Управляющим сигналом может быть сигнал, пропорциональный числу оборотов

или пропорциональный величине (или njV Т\).