1.Введение. Обзор литературы, формулировка проблемы и методов ее решения.

Развитие и совершенствование авиационных двигателей невозможно без систем автоматического управления. Объясняется это, с одной стороны, сложностью рабочих процессов, протекающих в двигателях, а с другой – необходимостью оптимизации этих процессов для получения приемлемых удельных характеристик (удельные расход топлива и тяга, заданная надежность и другие), определяющих совершенство двигателя.

Системы автоматического управления (САУ) двигателями должны удовлетворять ряду требований, важнейшими из которых являются:

• обеспечение необходимого качества регулирования по основным параметрам рабочего процесса

• выдерживание оптимальных параметров рабочего процесса, при которых получаются приемлемые удельные характеристики

• защита двигателя от недопустимых рабочих режимов

• обеспечение требуемой надежности двигателя и согласование характеристик двигателя с характеристиками летательного аппарата

Эти требования, хотя и противоречивые, должны быть удовлетворены комплексно.

Эффективность СУ зависит прежде всего от ее удельных показателей (удельной тяги, удельной массы и удельного расхода топлива) и от эксплутационных высотно-скоростных и дроссельных характеристик на форсажных и бесфорсажных режимах.

В действительных условиях эксплуатации режим работы СУ часто и в широком диапазоне изменяется. Изменение режима и поддержание его мог бы осуществлять летчик, воздействуя на силовую установку. Для этого ему потребовались бы приборы, сообщающие информацию о задачах и результатах управления в любой момент времени, рычаги для приведения в действие управляющих органов и знание законов управления. Летчик непрерывно должен был следить за измерительными приборами, определять величины управляемых параметров, сравнивая, сравнивая эти величины с заданными значениями, принимать решения о направлении перемещения рычагов для ликвидации возникающих рассогласований.

Однако сложность СУ как объекта управления, специфические особенности газодинамических и тепловых процессов, происходящих в управляемом объекте, случайность действующих на него возмущений, которые быстро изменяются во времени в широком диапазоне, занятость экипажа в полете переработкой информации, необходимой для выполнения поставлено задачи, делают невозможным качественное ручное управление СУ. Решать задачу управления СУ в таких условиях возможно только средствами автоматики, которые позволяют свести функции управления лишь рычага управления двигателем (РУД).

1. Силовые установки и принцип их работы

Силовая установка (СУ) состоит из двигателей (один или несколько) с их системами управления, запуска, топливопитания, а также входных и выходных устройств для реверса тяги и движителей в виде воздушных винтов. Двигатель составляет основу СУ, которая предназначена для создания необходимой для полета ЛА тяги.

Современные СУ ЛА строятся на базе реактивных двигателей. Реактивным называют двигатель, тяга которого представляет собой силу реакции потока продуктов сгорания топлива, получающего ускорение в самом двигателе и вытекающего из него в окружающую среду со скоростью, большей скорости полета.

Все реактивные двигатели делятся на два основных класса: воздушно-реактивные и ракетные двигатели.

Воздушно-реактивные двигатели (ВРД) – это двигатели, в которых химическая реакция окисления топлива осуществляется за счет кислорода атмосферного воздуха. В свою очередь ВРД можно разделить на прямоточные (или бескомпрессорные) воздушно-реактивные двигатели (ПВРД) и газотурбинные двигатели (ГТД). В данном проекте будет использоваться газотурбинный двигатель.

В ПВРД воздух из входного устройства подается непосредственно в камеру сгорания. При этом сжатие воздуха осуществляется в воздухозаборнике за счет скоростного напора. ПВРД предназначены как для сверхзвуковых полетов при М=2..3 (СПВРД), так и для гиперзвуковых скоростей при М=6..7 (ГПВРД).

Рис. 1.1. Двухвальный двигатель

ВГТД для сжатия воздуха, поступающего в камеру сгорания, служит компрессор с приводом от газовой турбины. ГТД подразделяются на турбореактивные двигатели (ТРД) и турбовинтовые (ТВД).

Основными элементами одновального ТРД являются: входная часть двигателя, компрессор, камера сгорания, газовая турбина, реактивное сопло. Внешний воздух, сжатый в компрессоре, поступает в камеру сгорания, куда через форсунки подается топливо. Газы, образующиеся в результате сгорания топлива, протекают через турбину, приводя ее во вращение, и затем пройдя через реактивное сопло, вытекают с большой скоростью в атмосферу в сторону, противоположную направлению полета, тем самым создавая реактивную тягу.

Для увеличения тяги ТРД часто снабжают дополнительными камерами сгорания, которые располагаются за турбиной и называются форсажными. Сжигание дополнительного количества топлива в форсажной камере приводит к росту температуры газов и скорости их истечения, а следовательно, к росту тяги двигателя ТРДФ.

Разновидностью ТРД являются двухвальные двигатели. У них имеются два каскада компрессора, каждый из которых приводится во вращения от своей турбины. В двигателях такой схемы можно получить более широкую область устойчивых режимов работы компрессора, так как каждый из каскадов работает с меньшей степенью повышения давления воздуха по сравнению с одновальным двигателем.

В ТВД большая часть энергии газов используется в турбине. Турбина приводит во вращение компрессор и винт двигателя. Оставшаяся часть энергии газов используется, как и в ТРД, для создания реактивной тяги. Таким образом, тяга двигателя слагается из тяги, развиваемой винтом (около 90 % от общей тяги двигателя), и реактивной тяги (около 10 %). При небольших дозвуковых скоростях полета (до М=0,6..0,8) ТВД обладает более высокими экономическими показателями, чем ТРД. ТВД могут быть выполнены по двухвальной схеме. В этом случае одна турбина используется для вращения компрессора, вторая – для вращения винта.

В двухконтурных ТРД, или, как их еще называют, турбовентиляторных двигателях, имеются два воздушных контура. Первые низконапорные ступени компрессора работают как вентиляторы, создавая дополнительную тягу. В этих двигателях используются преимущества ТВД на низких скоростях полета благодаря применению вентиляторного контура и преимущества ТРД во внутреннем контуре на больших дозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета.

Работа двигательной установки характеризуется величиной удельного расхода топлива и тяги величиной. Так как при регулировании ГТД затруднительно непосредственно измерить тягу и удельный расход топлива, то в качестве регулируемых используются другие параметры рабочего процесса, замер которых организовать легче. Эти параметры режима должны выбираться из условия получения заданных значенийи, например максимальных значенийили минимальных значений. Такими параметрами для ТРД являются частота вращения вала турбокомпрессораи температура газов в камере сгорания. Зависимостьиотипоказана на рис. 1.2.

(а) (б)

Рис.1.2. Характеристика ТРД

В качестве управляющих воздействий используется расход топлива в камере сгорания и- площадь сечения сопла. В данной работе будет использоваться как управляющее воздействие расход топлива. Изменяя расход, можно воздействовать как на температуру, так и на частоту вращения. Приведенные параметры ГТД выражаются через,и его физические параметры с помощью следующих соотношений:

(1.1)

.

Здесь ,- давление за компрессором и расход воздуха через него;- степень повышения давления в компрессоре.