Осень 17 курс 5 / САУ / АСУ ОК (Автосохраненный)

Министерство Транспорта Российской Федерации (Минтранс России)

Федеральное Агентство Воздушного Транспорта (Росавиация)

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный

Университет гражданской авиации»

Автоматические системы осевых компрессоров

Выполнил:

студент 5 курса ФАИТОП

группы №834

Старков Артём Артурович

Подпись_______________

Проверил:

старший преподаватель кафедры №24

Петрова Татьяна Владимировна

Оценка_________________

Дата___________________

Подпись________________

Санкт-Петербург, 2017

Содержание

• Характеристики компрессора, влияние расчетной степени повышения давления на положение рабочей линии, обоснование необходимости механизации компрессора.

• Задачи автоматизации осевых компрессоров, принцип работы АС осевых компрессоров и требования к ним. АС управления перепуском воздуха и поворотными лопатками. Законы управления, функциональные и принципиальные схемы, статические и динамические свойства, эксплуатационная оценка.

• Пример исполнения систем управления механизацией компрессоров, примеры их работы и отладка в эксплуатации. Характерные неисправности и их влияние на безопасность полетов.

Наиболее распространенным типом компрессоров авиационных ГТД являются осевые многоступенчатые компрессоры, обладающие большой производительностью, высоким КПД и большой степенью сжатия.

Осевой многоступенчатый компрессор (рис. 1) состоит из ряда последовательно расположенных направляющих лопаток 6, закрепленных в корпусе 7, и рабочих лопаток 5, расположенных на барабанном роторе 11. По мере сжатия объем воздуха уменьшается и, следовательно, уменьшаются высоты лопаток.

При определении характеристик компрессора на стенде можно получить почти все возможные режимы работы компрессора, но при работе компрессора в системе ГТД той или иной схемы реализуется лишь часть этих возможных режимов, занимающая некоторую область в поле характеристики компрессора — область рабочих режимов. Значения и соответствующие какому-либо конкретному рабочему режиму, изображаются на характеристике компрессора рабочей точкой. Важное значение в теории ГТД имеют точки, соответствующие установившимся режимам работы двигателя, т. е. постоянным во времени значениям частоты вращения, подачи топлива и других параметров и факторов, которые могут влиять на работу элементов двигателя.

Для большинства схем авиационных ГТД каждому значению приведенной частоты вращения на установившихся режимах соответствует при заданных условиях регулирования двигателя только одна рабочая точка. (Так, например, в ТРД с неизменными геометрическими формами всех его элементов нельзя изменить приведенный расход воздуха, не изменив при этом n_пр). Соединив такие рабочие точки, относящиеся к различным значениям n_пр, получим рабочую линию (линию рабочих режимов). Таким образом, рабочая линия представляет собой совокупность всех установившихся режимов работы компрессора в системе конкретного ГТД при заданных условиях его регулирования. Форма и расположение рабочей линии в поле характеристики компрессора зависят от расчетных параметров

компрессора, типа двигателя и условия (закона) его регулирования.

Для примера на рис. 2 показано типичное расположение рабочей линии на характеристике нерегулируемого компрессора (с высокой расчетной степенью повышения давления), работающего в системе одновального ТРД. Как видно, в этом случае рабочая линия пересекает границу устойчивой работы компрессора в двух точках - н и в. Первая из них лежит в области значений n_пр, меньших расчетного, и поэтому соответствующее ей нарушение устойчивой работы компрессора (при n_пр = n_{пр н.} называется «нижним срывом».

Неустойчивая работа компрессора в системе двигателя, возникающая при увеличении n_пр, до n_пр.в, называется «верхним срывом».

(Конкретные формы потери устойчивости этими терминами не определяются).

У регулируемых компрессоров и у компрессоров с малыми расчетными значениями ≤ 5...6 нижний срыв обычно отсутствует.

Нарушение устойчивой работы компрессора ГТД (часто называемое потерей газодинамической устойчивости двигателя) является одним из наиболее опасных отказов авиационной силовой установки. Поэтому в эксплуатации работа па режимах, где рабочая точка располагается вблизи границы устойчивости, т. е. где запас устойчивости мал, недопустима. В связи с этим появляется необходимость регулирования компрессора.

Наиболее существенное влияние на характеристики компрессора могут оказать следующие отклонения от принятых условий:

— уменьшение числа Re с увеличением высоты полета;

— изменение влажности атмосферного воздуха;

— неравномерность поля параметров потока на входе в компрессор;

— нестационарность потока воздуха перед или за компрессором;

— искажение геометрических размеров и изменение состояния поверхности лопаток.

Цели регулирования компрессоров:

— повышение запасов устойчивости компрессора для обеспечения устойчивой работы его во всех условиях эксплуатации;

— снижение уровня вибронапряжений в лопатках, возникающих на повышенных углах атаки;

— повышение КПД компрессора на нерасчетных режимах;

— изменение соотношения между n_пр и (или ) на рабочих режимах для улучшения тех или иных характеристик двигателя.

Основными способами регулирования компрессоров являются:

— перепуск воздуха из проточной части компрессора в атмосферу, в наружный контур двигателя или в какое-либо другое пространство с пониженным давлением;

— поворот направляющих или рабочих лопаток;

— изменение соотношения между частотами вращения различных ступеней (применение двух- и многокаскадных компрессоров).

Перепуск воздуха.

Перепуск воздуха является одним из наиболее простых способов регулирования компрессора.

Клапан перепуска часто выполняют в виде стальной ленты, закрывающей окна в корпусе компрессора (окна перепуска). В этом случае может использоваться термин «лента перепуска».

Обычно перепускается 15—25% воздуха, поступающего в компрессор. В некоторых случаях применяют «с один, а несколько рядов перепускных окон, расположенных в различных сечениях компрессора (в различных ступенях) и открываемых при снижении n_пр последовательно с таким расчетом, чтобы обеспечить наилучшее соотношение между количеством перепускаемого воздуха и достигаемым при этом увеличением запаса устойчивости.

Рис.3 Обобщенные функциональные схемы следящей (а) и дискретной (б) автоматических систем компрессоров.

Программой работы АС перепуска воздуха в зависимости от физической частоты вращения ротора ГТД n является зависимость площади окон перепуска воздуха от частоты вращения: F_n=F_n(n). Поскольку АС перепуска выполняются в основном релейными, то в соответствии с обобщенной функциональной схемой (рис. 3,б) на вход в автоматическое управляющее устройство (АУУ) подается сигнал рассогласования , больший или меньший нуля. Выходной координатой АУУ является положение управляющих органов, определяющих величину площади окон перепуска. С помощью механизма настройки АС настраивается на., значение которой при заданных внешних условиях определяется по :

(1)

где температура Т₁* выбирается максимально возможной в условиях эксплуатации данного типа летательного аппарата. При окна перепуска закрыты, при окна перепуска открыты.

Рис. 4 К анализу влияния перепуска воздуха из промежуточных ступеней на характеристики осевого компрессора.

Как известно, при открытии окон перепуска изменяются положения рабочей линии на характеристике компрессора (рис.4), напорных линий при n_пр=const, границы устойчивых режимов и, в частности, зависимостей потребного расхода топлива от частоты вращения и от . В связи с этим реализация ступенчатых программ сопровождается скачкообразным изменением параметров рабочего процесса ГТД, в том числе потребного расхода топлива. Так как ГТД и позиционный автомат перепуска образуют замкнутую в динамическом отношении систему, скачкообразный характер изменения потребного расхода топлива вносит некоторые особенности в совместную работу автоматических систем перепуска и подачи топлива, которые должны учитываться при эксплуатации ГТД.

При медленном изменении режима работы в замкнутой АС могут возникнуть устойчивые автоколебания, сопровождающиеся периодическим открытием и закрытием окон перепуска («хлопаньем» управляющих органов), что является недопустимым при эксплуатации силовой установки. Возможность возникновения автоколебаний определяется реакцией ГТД на открытие и закрытие окон перепуска. Если при закрытии окон частота вращения уменьшается, а это будет всегда, когда автомат настроен на срабатывание при (рис. 5, а), то автоколебания неизбежны. Число циклов автоколебаний зависит от скорости изменения частоты вращения, т. е. от динамических свойств ГТД.

Рис. 5 К анализу причин возник­новения автоколебаний в автоматической системе перепуска воздуха при работе ее совместно с регулято­ром G_T = const и обоснование необхо­димости гистерезиса настройке автомата: а — без гистерезиса; б — с гистерезисом

Рассмотрим природу возникновения этого явления на характеристиках потребных и располагаемых расходов топлива в системе топливопитания с регулятором постоянства расхода топлива. Если автомат перепуска настроен на срабатывание при частоте вращения (рис. 5, а) в области работы регулятора G_T = const (), то при медленном дросселировании ГТД в точке 1 автомат сработает на открытие окон. Потребный расход топлива при открытых окнах будет меньше (штриховая линия), чем при закрытых. Так как регулятор G_T = const обеспечивает расход, соответствующий настройке , то ГТД будет разгоняться в направлении точки 2. Как только n будет больше , автомат сработает на закрытие окон. При этом действительный расход топлива окажется меньше потребного для работы с закрытыми окнами, частота вращения будет уменьшаться и при достижении значения окна вновь откроются. После этого частота вращения начнет возрастать и автомат сработает на закрытие окон и т. д.

В случае медленного увеличения частоты вращения при тех же условиях настройки окна закроются в точке 3. При этом регулятор G_T = const обеспечивает расход топлива, соответствующий настройке . Так как после закрытия окон в точке 1 больше в точке 3, частота вращения будет уменьшаться в направлении точки 4, что вызовет после закрытия окон их открытие с последующим увеличением частоты вращения и закрытием окон и т. д.

Явлений «хлопанья» управляющих органов при работе АС не будет при настройке автомата на частоту вращения при достаточно быстром перемещении РУД и введении гистерезиса в настройку автомата, т.е. при условии для случая настройки автомата на частоту вращения. Значение гистерезиса выбирается на основании анализа характеристик, приведенных на рис. 5, и должно быть таким, чтобы значение было больше n₂ (рис. 6, б), а n₄ — больше n_откр

Рис. 6 К анализу причин возникновения авто­ колебаний в автоматической системе перепуска воздуха при работе ее совместно с регулятором гг = const: а — без гистерезиса; б — с гистерезисом

Явление автоколебаний управляющих органов может возникнуть и при работе автомата перепуска совместно с АС управления частотой вращения, если автомат настроен на частоту вращения (рис. 6,а).

Принципиальная схема АС перепуска воздуха по сигналу измерителя частоты вращения ротора изображена на рис. 6, а. В этой системе открытие клапанов перепуска 1 осуществляется сжатым воздухом, который подается в пневмоцилиндр 2 после электромагнитного релейного усилителя 11, срабатывающего по сигналу гидравлического выключателя с мембраной 9. В свою очередь выключатель замыкает цепь усилителя по сигналу центробежного. датчика командного давления 4, преобразующего рабочее давление р_вх в командное давление .

Рис. 7 Принципиальная схема автоматической системы (а) и программа управления (б) перепуском воз­ духа по сигналу измерителя n: 1 - клапан перепуска; 2 - пневмоцилиидр; 3, 6, 10 - жиклеры; 4 - центробежный датчик; 5, 7 - золотники; 8 - гистерезисный клапан; 5 - мембрана; 11 - электромагнитный усилитель

Реализуемая АС программа приведена на рис. 7 ,б. На пониженных режимах при малом р_ком золотник 7 вместе с управляющим золотником 5 и гистерезисным клапаном 8 под действием своих пружин находятся в верхнем положении, показанном на схеме. При этом обеспечивается слив топлива из полости мембранного выключателя, чему соответствует открытое положение клапанов 1. При увеличении частоты вращения до n_закр и соответствующем повышении давления р_ком золотники 5, 7 и клапан 8 последовательно перемещаются вниз, обеспечивая подвод жидкости с давлением р_вх по каналам а и б мимо золотника 7 в полость мембранного выключателя 9, что обусловливает закрытие окон перепуска воздуха.

При нижнем положении золотника гистерезисного клапана 8 полость над ним через жиклеры 6 и 10 оказывается сообщенной с полостью рабочего давления р_вх, поэтому давление в этой полости становится выше командного (Рк>Рком). Вследствие этого при уменьшении частоты вращения смещение золотника вверх и открытие окон произойдет при давлении, меньшем чем давление, при котором произошло закрытие окон, т. е. при (рис. 7, б).

Необходимое значение гистерезиса по частоте вращения , обеспечиваемое гистерезисным клапаном, регулируется подбором проходных сечений жиклеров 3, 6 и 10.

Достоинством АС перепуска воздуха в зависимости от физической частоты вращения является простота их конструкции и высокая надежность в работе. Однако они имеют существенный недостаток, ограничивающий область их применения. Так как автомат настраивается на частоту вращения, определенную при максимально возможной температуре Т₁*, то, как видно из уравнения (1), с понижением n_{пр.откр} будет возрастать, т. е. окна перепуска будут открываться при большем значении n_пр. Открытие же окон связано с падением тяги и ухудшением экономичности ГТД. Кроме того, АС перепуска воздуха в зависимости от физической частоты вращения не учитывают влияния изменения давления окружающей среды на характеристики компрессора, в том числе на положение границы устойчивых режимов.

Указанного выше первого недостатка не имеют ДС перепуска воздуха в зависимости от n_пр. Принципиальная схема датчика n_пр такой АС показана на рис. 7. Пружина 4 измерительного устройства имеет переменную по температуре затяжку. С повышением температуры измеряемой термопатроном 1, золотник 5 перемещается вниз и своим средним пояском открывает подвод рабочей жидкости в управляющую полость гидроцилиндра. Давлением жидкости поршень перемещается вниз, увеличивая затяжку пружины 4 до тех пор, пока управляющим пояском золотника не перекроется подводящий канал. Таким образом, более высокому значению будет соответствовать большая частота вращения, при которой сработает автомат. Характеристики корректора по температуре подобраны так, чтобы n_пр срабатывания автомата оставалась неизменной, равной заданному значению.

Рис. 8 Принципиальная схема дат­чика приведенной частоты вращения: 1-термопатрон; 2 - поршень; 3 - цент­робежный датчик n; 4, 6 - пружины; 5 -золотник; 7 - рычаг

Недостатком АС перепуска воздуха в зависимости от n_пр является малая статическая точность, обусловленная трудностями измерения температуры Т* вследствие инерционности термопатрона и влияния температуры корпуса двигателя на величину измеряемой температуры . Изменение n_пр срабатывания автомата вследствие накопления ошибок может привести к необходимости уменьшения предельного числа М полета, а также ухудшению приемистости ГТД и возможности возникновения неустойчивой работы компрессора на пониженных режимах. Имеются определенные трудности в проверке правильности срабатывания автомата из-за отсутствия на борту летательного аппарата указателя n_пр.

В связи с отмеченными недостатками АС перепуска воздуха в зависимости от n_пр широко применяются АС перепуска по . Датчики конструктивно просты и являются практически безынерционными.

Рис. 9 Принципиальная схема АС перепуска воздуха по сигналу датчика : а — окна перепуска открыты; б — окна перепуска закрыты; 1, 2 -•жиклеры; 3, 6, 7 - золотники; 4, 5 - электромагниты; 8 - анероид; 9 - контакты; 10 - сильфон; 11 - реле

На рис. 9 показана принципиальная схема АС перепуска с датчиком получившим широкое практическое применение Он состоит из сильфона 10 (рис. 9, а), внутрь которого подводится давление и анероида 8, помещенных в камеру с давлением . К торцам сильфона и анероида прикреплены контакты 9 цепи электромагнитного релейного усилителя, который при срабатывании подает сигнал к золотнику 6 дроссельного усилителя первой ступени усиления. При смещении золотника 6 влево жидкость после насоса поступает под правый торец золотника 7 дроссельного усилителя второй ступени. Золотник 7 управляет подводом и сливом рабочей жидкости из полостей А и Б поршневого гидроцилиндра.

Обозначим через р_о давление газа внутри коробочки анероида, а через Δ₀ — расстояние между контактами при условии, что - При отклонении давлений и от значений и коробочки деформируются и расстояние между контактами изменяется. При некотором значении давлений и расстояние между контактами становится равным нулю. Электрический сигнал, появляющийся при замыкании контактов, сопровождается срабатыванием системы на закрытие окон перепуска (рис. 9, б).

Суммарная деформация коробочек датчика в момент замыкания контактов будет равна

(2)

коэффициенты пропорциональности деформаций со­ ответственно анероида и сильфона.

Из уравнения (2) определяется величина отношения давле­ний, соответствующая моменту замыкания контактов:

(3)

Чтобы исключить влияние абсолютного значения давления на , обеспечивается условие, при котором или . При этом условии

(4)

В соответствии с назначением автомата перепуска должна быть равна , а должна быть равна . Из выражения (4) следует, что настройка автомата на задан­ное отношение давлений может осуществляться подбором коэф­фициентов пропорциональности деформаций коробочек δ₁ и δ₂ или при заданном отношении δ₁/δ₂ поворотом приемников давлений воздуха в компрессоре, а также постановкой в магистраль подвода воздуха после компрессора редуктора давления .

Для обеспечения требуемых динамических свойств АС может возникнуть потребность в постановке гестерезисного клапана. На рис. 9, а показана схема подключения гистерезисного клапана, состоящего из электромагнита 4 с золотником 3 и двух жиклеров 1 и 2, к системе управления.

Необходимость гистерезиса по при .реализации ступенчатой программы обусловливается, как и в предыдущем случае, наличием обратной связи между ГТД и автоматом, различными зависимостями при открытых и закрытых окнах перепуска и значением , на которое настроен автомат. В зависимости от возможно как повышение, так и понижение при открытии, например, окон перепуска (рис. 8, а).

Рис. 10 К анализу причин возникновения автоколебаний в автоматической системе перепуска воздуха по сигналу измерителя и обоснование необходимости гистерезиса: а - без гистерезиса; б - с гистерезисом

В случае настройки автомата на значение =, соответствующее точке пересечения характеристик (рис. 10, а), при медленном дросселировании ГТД в точке 1 произойдет открытие, окон, а при медленном разгоне в точке 3 — их закрытие. При открытии окон уменьшается в направлении точки 2, а при закрытии окон в точке 3 возрастает в направлении точки 4. При этом автоколебаний быть не может.

Если автомат настроен на =, меньшее , то открытие окон в точке 1 при медленном дросселировании ГТД сопровождается увеличением в направлении точки 2, а закрытие окон перепуска в точке 3 при медленном разгоне сопровождается уменьшением в направлении точки 4. В этом случае автоколебания неизбежны, так как после открытия окон в точке 1 сразу же произойдет их закрытие, а после закрытия окон в точке 3 произойдет их открытие. Автоколебания устраняются введением гистерезиса в настройку автомата таким образом, чтобы была больше (рис. 10 ,6).

Когда контакты 9 (рис. 9, а) датчика разомкнуты и электромагниты 5 и 4 обесточены. Воздух частично стравливается в атмосферу через жиклер 2 из магистрали подвода к датчику . Золотник 6 гидроусилителя под действием пружины отжат влево, тем самым обеспечивается подвод жидкости под правый торец золотника 7. Золотник под действием давления отжат влево до упора, тем самым обеспечиваются подвод жидкости в полость А и слив ее из полости Б гидроцилиндра. Ленты открывают окна перепуска. Очевидно, что при открытом золотником 3 окне в процессе разгона ГТД необходимо повышение значения для того, чтобы автомат сработал на закрытие окон перепуска.

При контакты 9 замкнуты (рис. 9 ,6), электромагниты 4 и 5 оказываются под током, положение золотников, показанное на рисунке, обеспечивает закрытие окон перепуска. Золотник 3 гистерезисного клапана закрывает жиклер 2, и стравливание воздуха прекращается. Следовательно, при уменьшении частоты вращения автомат сработает на открытие окон перепуска при .