бины пилота или от специального технологического пульта. Пульт подсоединяется к контрольному разъему основного электронного агрегата (электронного регулятора). При помощи пульта возможно изменение уставок программ управления (регулировка агрегата), проверка срабатывания защитных и блокирующих функций, проверка исправности блоков электронной части САУ, ее дат- чиков и линий связи.

12.1.1.5 - Выбор САУ и е¸ элементов 12.1.1.5.1 - Выбор САУ

Систему автоматического управления и контроля выбирают исходя из требований к двигателю в целом, к САУ и е¸ элементам.

Правильность выбора САУ влияет не только на характеристики двигателя, но и на технико–эко- номические показатели. Процесс создания и эксплуатации двигателя достаточно длителен, и САУ должна выбираться с запасом на моральное старение с учетом перспективы длительного жизненного цикла двигателя. Возможно поэтапное создание и модернизация САУ.

САУ первого этапа формируется на базе проверенных серийных элементов. Отрабатываются основные принципы. При этом обеспечивается процесс создания двигателя на ранних этапах, без задержек из-за возможных отказов недоведенной окончательной САУ. Параллельно создается и доводится до установки на двигатель САУ оконча- тельной конструкции.

12.1.1.5.2 - Порядок разработки САУ

САУ, как правило, разрабатывает специализированное предприятие по заданию разработчика двигателя. Разработчиком САУ может быть и пред- приятие-разработчик двигателя. В любом случае, предприятие-разработчик двигателя выпускает ТЗ на САУ, а разработчик САУ - ТЗ на комплектующие САУ, если существующие комплектующие не обеспечивают выполнение требований ТЗ.

Этапы создания САУ:

-анализ нормативной технической документации, технических требований заказчика двигателя, опыта создания и эксплуатации аналогов и прототипов, изучение современных и перспективных разработок в области САУ, комплектующих и технологий проектирования, изготовления и доводки;

-формирование предварительных требований;

-выполнение предпроектных исследований;

-выпуск ТЗ на создание САУ или комплектующего изделия;

-анализ технических предложений разработ- чиков САУ и е¸ комплектующих;

-разработка и экспертиза эскизного (техни- ческого) проекта, проведение конкурса на создание САУ (комплектующего изделия);

-уточнение ТЗ по результатам анализа эскизного (технического) проекта и проведения конкурса;

-разработка рабочей технической документации (схемы, чертежи, расчеты:

-макетирование агрегатов на двигателе, изготовление опытных образцов;

-проведение предварительных доводочных испытаний;

-уточнение рабочей конструкторской документации;

-проведение официальных испытаний;

-внедрение образцов в серийное производство

èэксплуатацию.

В дальнейшем жизненном цикле продолжается доводка, совершенствование по результатам производства и эксплуатации.

При создании САУ учитывают следующие требования:

1)Требования, предъявляемые разработчиком двигателя:

- программы управления; - размещение, внешние воздействующие фак-

торы; - взаимодействие с системами двигателя;

- исполнительные механизмы и регулирующие органы, требования к быстродействию и усилиям;

- требования к надежности; - требования к конструкции;

- технико-экономические требования; - требования к эксплуатационной технологич-

ности.

2)Требования, предъявляемые разработчиком самолета:

- управляющие воздействия; - взаимодействие с самолетными системами;

- применяемые топлива и другие эксплуатационные материалы;

- внешние воздействующие факторы, климатическое исполнение;

- область полетов; - полетный цикл.

3)Требования нормативно-технической документации:

- требования государственных и отраслевых стандартов, международных стандартов, нормалей, регламентов и руководящих технических документов (РТМ).

Математические модели двигателя, САУ и е¸ элементов.

При создании САУ и е¸ элементов, а также при создании двигателя широко применяют математи- ческие модели двигателя, САУ и е¸ элементов. Это позволяет ускорить процессы разработки и доводки. Применяют математические модели разных уровней. Полные нелинейные математические модели двигателя с упрощенной или полной моделью САУ применяются при отработке переходных процессов двигателя во всех условиях эксплуатации. Линеаризованные и линейные модели двигателя применяют при расчете коэффициентов передаточ- ных функций регулятора, а также при моделировании переходных процессов в САУ.

Применение математических моделей позволяет провести расчет режимов работы, которые невозможно проверить на реальном двигателе изза их опасности для конструкции. Проводя расчет, можно уточнить требования к точности и быстродействию элементов САУ или принять решение об изменении конструкции узлов двигателя. Например, проводится расчет при обрыве вала привода вентилятора или компрессора и срабатывание системы защиты турбин от раскрутки. Наиболее достоверные результаты расчетов можно получить, применяя нелинейные поузловые математические модели двигателя, дополненные полной математи- ческой моделью САУ.

12.1.1.5.3 - Основные принципы выбора варианта САУ в процессе проектирования

При выборе САУ рассматриваются факторы технические, технико-экономические, технологи- ческие и организационные. Основополагающим критерием является: выполнение технических требований на САУ при ее создании в пределах заданных сроков и материально-финансовых ресурсов.

САУ двигателя ЛА не является самостоятельным техническим объектом, а рассматривается как подсистема (элемент, структурная единица) системы (СУ ЛА). Элемент (САУ) может применяться в операции объекта и создавать в ней полезный эффект только в составе объекта. Для решения зада- чи выбора лучшей системы используется математический и аналитический аппарат теории эффективности [12.1.4.5, 12.1.4.6]. Основополагающим понятием этой теории является понятие эффективности.

Показатель эффективности есть мера степени соответствия реального результата требуемому результату (цели). Достижение цели сопряжено с зат-

ратами различного рода ресурсов: материальных, энергетических, финансовых, трудовых, временных и др.

Применение аппарата теории эффективности и системного подхода при оценке и формировании облика САУ позволяют внести в процесс выбора системы элементы объективности, формализации. Это дает возможность выбрать для дальнейшей реализации максимально эффективный вариант САУ.

При разработке требований к техническому объекту, реализуя принцип системного подхода, одновременно формулируют требования к его системам, элементам. При формировании облика САУ учитываются как требования разработчиков объекта (ЛА), его подсистемы (СУ, двигателя), так и требования нормативно-технической документации.

На этапах предпроектного проектирования, разработки технического предложения и эскизного проектирования из множества возможных вариантов исполнения САУ выбирается оптимальный.

Вариантность САУ обусловлена множеством причин, например:

-технические требования могут быть выполнены различными техническими средствами, в том числе различных разработчиков и поставщиков;

-реализация требуемых характеристик двигателя может быть обеспечена различным сочетанием программ управления и регулируемых параметров;

-необходимость нахождения компромиссного варианта с наибольшей эффективностью при некотором отклонении от заданных требований как технических, так и экономических;

-оценка повышения эффективности САУ при возможных вариантах е¸ усовершенствования.

Как было отмечено выше, САУ создает полезный эффект только в составе объекта (ЛА).

Поэтому критерии выбора (сравнения, оценки) систем должны быть установлены, в первую очередь, исходя из обеспечения эффективности объекта. Исходя из целей создания объекта, можно выделить следующие критерии оценки (выбора) САУ (частные показатели эффективности):

а) выполнение объектом задачи - вероятность выполнения объектом задачи;

б) безопасность эксплуатации объекта - вероятность летного происшествия;

в) эффективность применения объекта; г) стоимость жизненного цикла; д) стоимость разработки САУ; е) стоимость комплекта САУ; ж) сроки создания САУ; з) риск разработки;

и) показатели эксплуатационной технологич- ности;

к) масса; л) габариты.

Критерии е), ж), з), и) могут быть рассмотрены как самостоятельные, так и при определении критерия в) в зависимости от принятой методики оценки САУ. В процессе анализа проекта может возникнуть необходимость учета дополнительных критериев (частных показателей эффективности).

12.1.1.5.4 - Структурное построение САУ

Анализ выполненных систем аналогов и прототипов.

При создании САУ опираются на опыт, полученный при создании систем двигателей, оте- чественной и иностранной разработки. Аналоги и прототипы выбираются для одного класса двигателей. Отдельные технические и схемные решения могут выбираться у двигателей других классов.

Уровень показателей системы, возможные мероприятия по их улучшению.

При создании САУ учитывают современный и перспективный уровень развития компонентов САУ, достижения электроники, технологии, материалов, совершенствования методологии создания двигателя.

Необходимо учитывать, что процесс создания двигателя достаточно длителен. Так, создание двигателя нового поколения может длиться 8...12 лет. Модификация двигателя может создаваться 2...5 лет. Длительность эксплуатации разрабатываемого двигателя может достигать 40 лет и более. Поэтому при принятии решения об облике и исполнении САУ необходимо предусмотреть запас на е¸ моральное старение. Возможна задержка полу- чения комплекта агрегатов окончательного вида, поэтому для обеспечения первого этапа создания нового двигателя. необходимо предусмотреть промежуточный вариант, опирающийся на серийно выпускаемые дорабатываемые агрегаты. В то же время необходимо и возможно отработать отдельные конструктивные решения по САУ окончательного вида на серийных двигателях.

Направления совершенствования САУ и е¸ элементов.

Основными направлениями совершенствования САУ и е¸ элементов являются:

-повышение надежности САУ и е¸ элементов;

-оптимизация программ управления;

-улучшение контролепригодности;

-повышение стойкости к воздействию внешних факторов и помехозащищенности;

-уменьшение стоимости САУ и жизненного цикла в целом;

-уменьшение трудоемкости обслуживания, улучшение эксплуатационной технологичности;

-уменьшение массы системы.

Выбор структурной схемы системы.

Структурная схема выбирается исходя из обеспечения требований к функционированию и надежности с учетом других требований.

Резервирование.

Одним из способов повышения надежности является применение резервирования. В электронных САУ применяется дублирование или троирование электронных элементов (устройств). Имеются системы с основным электронным регулятором и резервным (дублирующим) гидропневмомехани- ческим каналом управления.

Âэлектронных агрегатах применяются одинаковые элементы, один из которых находится

âконтуре управления, другие – в так называемом «горячем» резерве, т.е. находятся в режиме функционирования, но при помощи селектора исклю- чены из контура управления.

Для обеспечения работы схемы с резервированием в ней имеется устройство переключения – селектор. Управление селектором и выбор исправных резервных элементов осуществляет устройство автоматического определения исправности элементов – встроенная в электронный вычислитель система самоконтроля (СВК). СВК осуществляет функциональный, параметрический, темповый контроль исправности.

Âтроированных системах применяется схема голосования, когда из сигналов трех каналов управления отбраковывают один значительно отличающийся от остальных, а управление ведут одним из каналов с исправными элементами или по осредненному сигналу с исправных каналов.

Системы с полной ответственностью, супервизорные системы.

САУ, в которых сигнал от основного, как правило, гидро(пневмо)механического регулятора для повышения точности корректируется электронным устройством называются супервизорными. Системы, управляющие всеми регулирующими органами на всех режимах работы двигателя без ограничения, называются системами с полной ответственностью.

Распределенные системы.

Для повышения помехозащищенности по линиям связи и точности измерения и управления применяют встроенные в датчики и исполнительные механизмы (преобразователи) микроЭВМ. Они нормализуют и корректируют сигнал от преобразователя датчика, преобразуют сигнал в цифровой вид и по информационной шине передают в вычислитель.

От электронного агрегата управления сигнал в цифровом виде передается в микроЭВМ исполнительного механизма, где преобразуется в электрический кодовый (импульсный) или аналоговый сигнал, воздействующий на силовые элементы исполнительного механизма. Подобная схема применяется при удаленном от регулятора расположении датчиков и исполнительных механизмов.

Объединение агрегатов.

Для уменьшения массы системы за счет уменьшения количества коммуникаций и суммарной массы корпусных деталей применяется объединение в одном агрегате нескольких агрегатов. Например, объединяют в один агрегат подкачивающий, основной насос, насос механизации компрессора, основной топливный фильтр и теплообменник или основной топливный фильтр и теплообменник или основной насос, регулятор, дозатор, агрегат распределения топлива.

Подбор и анализ комплектующих.

Подбор комплектующих ведется по техническим характеристикам агрегата, датчика. Информацию получают из информационной карточки, из технической документации, получаемой от разработчика агрегата, датчика. В случае, если выбранный агрегат удовлетворяет всем или большинству требований, то заказчик оформляет протокол согласования применения, в котором оговариваются условия применения и функционирования.

Если не удалось подобрать готовый агрегат (датчик) оформляется ТЗ на его разработку и согласовывается с разработчиком агрегата (датчика).

Управление регулирующими органами.

Исполнительные механизмы привода регулирующих органов должны обеспечить необходимое усилие и быстродействие.

Должны быть рассмотрены следующие варианты управления исполнительными механизмами:

-пневмоуправление;

-гидроуправление;

-пневмогидроуправление;

- электрогидро(пневмо)управление. Оптимальным будет вариант, удовлетворяю-

щий требованиям технического задания и принципам выбора оптимального варианта САУ, см. раздел 12.1.1.5.3.

12.1.1.5.5 - Программы управления ГТД

Выбор регулируемых параметров ГТД призводят исходя из необходимости выполнения основной задачи регулирования - поддержание тяги на установившемся режиме:

-обеспечение заданной точности поддержания тяги;

-обеспечение необходимого изменения тяги при изменении температуры и давления воздуха на входе в двигатель;

-обеспечение интегрированного управления двигателя и самолета.

В качестве регулируемого параметра, косвенно отражающего величину тяги двигателя, принимают:

-частоту вращения ротора вентилятора, КНД

(nÂ, nÍÄ );

- частоту вращения ротора КВД ( nÂÄ );

- степень повышения давления воздуха в ком-

прессоре (π*ÊΣ = Ð*Ê / Ð*ÂÕ ); - степень повышения давления воздуха в дви-

гателе (π*ÄÂ = Ð*Ò / Ð*ÂÕ ).

Параметр регулирования выбирают с учетом обеспечиваемой точности измерения параметра, теплонапряженности двигателя, возможного ухудшения характеристик компрессора, турбины, камер сгорания [12.1.4.9, 12.1.4.10].

Программы управления на статических режимах должны обеспечивать однозначное выдерживание заданного режима с учетом температуры и давления воздуха на входе в двигатель. В современных САУ реализованы следующие программы управления:

nÍÄ = f (αÐÓÄ, Ò*ÂÕ, Ð*ÂÕ)

nÂÄ = f (αÐÓÄ, Ò*ÂÕ, Ð*ÂÕ)

π*ÊΣ = f (αÐÓÄ)

π*Ä = f (δÐÓÄ, Ò*ÂÕ, Ð*ÂÕ, ÌÏ)

Режим работы двигателя может быть ограни- чен для исключения достижения предельных зна- чений параметров двигателя или обеспечения устойчивой работы двигателя.

В резервном регуляторе управление режимом выполняется по упрощенным программам. В основном электронном регуляторе также могут быть предусмотрены подобные программы как резервные на случай невозможности выполнения основных (отказ каналов измерения и преобразования параметров).

Упрощенные программы управления режи-

ìîì:

n = f (αÐÓÄ)

nÂÄ = f (αÐÓÄ)

GÒ = f (αÐÓÄ)

GÒ / P*Ê = f (αÐÓÄ).

В качестве резервных программ может быть программа регулирования определенной, выбранной с точки зрения безопасности эксплуатации, величины параметра регулирования, например,

nÂÄ = const,

GÒ / P*Ê = const

Форсажный контур ГТД регулируется таким образом, чтобы линия рабочих режимов (ЛРР) на характеристике газогенератора сохранялась неизменной и гарантировался необходимый запас ГДУ компрессора. Поэтому программа управления подачей топлива в форсажный контур строится по параметрам, характеризующим положение ЛРР на характеристике турбокомпрессора ГТД. Управление расходом топлива в ФК выполняют по программе:

GÒÔ / P*Ê = f (αÐÓÄ, Ò*ÂÕ).

При этом площадью критического сечения сопла управляют по программе:

FC = f (αÐÓÄ, π*Ò).

С целью обеспечения заданного режима работы вентилятора управление критическим сече- нием реактивного сопла можно осуществлять по параметрам, характеризующим расход воздуха (скорость потока) в наружном контуре (q(λ), π(λ) è ò.ï.).

Управление двигателем на переходных режимах.

К современным двигателям предъявляют довольно жесткие требования к обеспечению переход-

ных процессов. САУ должна обеспечить переход за минимальное время (с максимально возможным темпом) с исходного режима на новый, заданный пилотом перемещением РУД или другим органом задания режима, без потери ГДУ компрессора, погасания пламени в камерах сгорания, вибрационного горения, заброса параметров сверх допустимых. Время приемистости от малого газа до максимального режима составляет у современного ТРДД 5…7 секунд, у ТРДДФ – 2…4 секунды. Различают следующие виды переходных процессов изменения режима двигателя: приемистость, сброс, частичные приемистость и сброс, встречная приемистость (сброс-приемистость). На выбор программ управления на переходных режимах влияют характеристики, конструктивная схема двигателя, конструктивное исполнение САУ [12.1.4.11, 12.1.4.12].

Для обеспечения необходимого протекания линии рабочих режимов на характеристиках узлов двигателя применяют управление подачей топлива и механизацией двигателя. Программы управления по внутридвигательным параметрам с уче- том параметров воздуха на входе в двигатель обеспечивают наилучшее протекание переходных процессов.

Управление расходом топлива выполняют по следующим программам:

GÒ / P*Ê = f (nÂÄ)

GÒ / P*Ê = f (nÍÄ)

GÒ / P*Ê = f (nÂÄ, Ò*ÂÕ, Ð*ÂÕ).

Резервные упрощенные программы управления имеют вид:

nÂÄ = f (τ)

GÒ = f (τ)

GÒ = f (π*Ê)

GÒ = f (P*Ê)

GÒ = f (τ, P*ÂÕ)

GÒ = f (P*Ê, P*ÂÕ)

Управление двигателем на режимах запуска.

Для управления расходом топлива на участке разгона ротора применяются программы управления как по внутридвигательным параметрам (P*Ê, Ò*Ê, nÂÄ или их комбинации) с учетом параметров воздуха на входе, так и запуск по независимому параметру – времени. Задачей САУ является обеспечение требуемой подачи топлива в КС для раскрутки роторов за заданное время и без превышения допустимой температуры газа за турбиной.

Программы управления расходом топлива по внутридвигательным параметрам имеют вид:

GÒ / P*Ê = const

GÒ / P*Ê = f (nÂÄÏÐ)

GÒ / P*Ê = f (nÂÄ, Ò*Ê)

GÒÏÐ / P*Ê = f (nÂÄÏÐ)

GÒ / P*ÂÕ = f (∆nÂÄ / ∆t).

ãäå ∆nÂÄ / ∆t = f(nÂÄ).

Программа управления расходом топлива по времени имеет вид

GÒ = f (τ) èëè

dGÒ/dτ = const èëè

dGÒ/dτ = f(nÂÄ) èëè

nÂÄ =f(τ).

Применение определенной программы обусловлено пусковыми свойствами двигателя, запасами ГДУ компрессора на участке запуска, требованиями к длительности запуска, допустимой температурой газа в турбине. Наилучшей программой для конкретного типа двигателя будет та, которая учитывает изменение не только внешних условий и внутренних параметров двигателя, но и изменение характеристик двигателя в течение ресурса. Таким требованиям отвечает программа поддержания заданного ускорения , так как она автоматически обеспечивает требуемые избытки топлива над статической линией.

Однако, в нерасчетных условиях (например, срыв компрессора из-за неравномерности на входе, резкое увеличение отбираемой мощности от ротора, отключение стартера и т.д.) происходит соответствующее увеличение потребного расхода топлива и увеличение температуры газа. В роли программы ограничения может выступать любая из приведенных программ поддержания расхода топлива по внешним или внутренним параметрам. Регулирование расхода топлива по времени обеспечивает постоянную его добавку в течение заданного времени. При определенной программе обеспечивается запуск с минимальными избытками топлива над статической линией, при этом выбираются меньшие запасы ГДУ компрессора.

В любой комбинации основной и ограничи- тельной программ в условиях эксплуатации могут иметь место случаи потери ГДУ компрессора («хлопки» и «бубнения»). Вследствие этого уменьшается ускорение ротора компрессора и растет температура газов за турбиной. Таким образом, для обеспечения надежности запуска требуется защита двигателя от помпажа на самых ранних стадиях запуска и защита от перегрева лопаток турбины.

Известные методы определения помпажа компрессора основаны на измерении амплитуды пульсации давления воздуха за компрессором. Современный уровень развития системы измерения и регистрации параметров не позволяет достаточ- но достоверно идентифицировать помпаж на низкой частоте вращения компрессора. Поэтому примерно до частоты вращения отключения стартера защита от помпажа компрессора реализуется по уровню температуры газа за турбиной. Для выведения двигателя из срыва применяется алгоритм с кратковременной отсечкой топлива при достижении температурой газа за турбиной предельного значения, последующим розжигом КС и продолжением запуска на пониженном расходе топлива. Одновременно выполняется и защита турбины от перегрева.

Для повышения запасов ГДУ и получения оптимальных значений к.п.д. компрессора на уча- стке запуска применяют дополнительный перепуск воздуха за КВД и поворот ВНА. При выходе двигателя на режим при заданной частоте вращения КВД или степени повышения давления в КВД дополнительные клапаны перепуска закрываются, а ВНА устанавливаются в заданное программой положение.

Управление проточной частью двигателя.

В современных двигателях управляют следующими элементами проточной части двигателя:

-ВНА и НА компрессора;

-перепуск воздуха из средних ступеней компрессора;

-перепуск воздуха после КВД;

-перепуск воздуха после КНД – между каскадами компрессора;

-площадь входа (выхода) канала наружного контура;

-площадь критического сечения и выходная площадь сопла;

-зазоры между рабочими лопатками и статором компрессора и турбины.

Теоретически проработано управление фронтовым устройством КС, сопловым аппаратом турбины, смесителем двухконтурного двигателя.

Задачами управления компрессором является обеспечение запасов ГДУ, напорности, расхода воздуха и к.п.д. каскадов, устранение срыва потока при помпаже и согласование параметров компрессора с параметрами других элементов двигателя. Для улучшения характеристик по выбросу вредных веществ управляют площадью фронтового се- чения КС. Изменяя соотношение площадей наружного и внутреннего контуров камеры смешения можно воздействовать на положение рабочей точ- ки в поле характеристик КНД. Управление может производиться по аналоговой или релейной программе. Аналоговое управление требует наличия обратной связи в контуре управления. Как правило, управление отборами воздуха и зазорами производится релейно, без обратной связи.

Управление ВНА выполняют по программам

âзависимости от приведенной частоты вращения ротора компрессора (по температуре воздуха на входе в двигатель или компрессор), в зависимости от степени повышения давления воздуха в компрессоре:

αÍÀ = f (nÂÄ, Ò*ÂÕ)

αÍÀ = f (nÂÄ, Ò*ÊÍÄ)

αÍÀ = f (nÂÄ, π*ÊΣ )

Управление перепусками воздуха выполняют по программам:

ÏÊÏÂ = f (nÂÄ, Ò*ÂÕ)

ÏÊÏ = f (nÂÄ, Ò*ÂÕ, Ð*ÂÕ, αÐÓÄ, ÂÄ)

ÏÊÏÂ = f (π*ÊΣ)

Для повышения к.п.д. компрессора и турбины величину зазоров между рабочими лопатками и статором КВД и ТВД на крейсерских режимах полета уменьшают до минимально возможных посредством обдува их корпусов воздухом из-за КНД или наружного контура ТРДД. Управление клапанами (заслонками) отбора воздуха производят по разомкнутой программе в зависимости от режима работы двигателя и параметров воздуха на входе в двигатель, которые косвенно отражают теплонапряженность деталей двигателя:

ÏÊÏ = f (nÂÄ, Ò*ÂÕ, Ð*ÂÕ, αÐÓÄ, nÂÄ)

При установке датчиков радиальных зазоров возможно замкнутое управление обдувами корпусов двигателя.

В таблице 12.1.1.5.5_1 в качестве примера возможной реализации приведены программы управления ТРДД отечественной разработки для гражданского самолета.