Системы автоматического управления (регулирования) двигателем и подачей топлива

Санкт-Петербург

Ш87 (03)

Глазков А.С, Хакунов С.А. Автоматика управления авиационными двигателями: Учебное пособие. Раздел II. Системы автоматического управления (регулирования) двигателем и подачей топлива/ Университет ГА. СПб., 2015.

Учебное пособие в двух частях, нумерация глав сквозная.

В части 2 изложены:

В части II изложены: основные задачи САУ (САР) двигателем и подачей топлива; режимы работы ТРДД в соответствии с EASACS-E и FAR33 и особенности режима МГ; программы управления (регулирования) САУ (САР) двигателем и подачей топлива; гидромеханические САУ (САР) двигателем и подачей топлива (ГТД: АИ-25, CFM56-2, ТВ3-117); полуэлектронные САУ (САР) двигателем и подачей топлива (ГТД: SaM146, CFM56-3 и CF6-80C2 версии с РМС, ТВД); электронные САУ (САР) двигателем и подачей топлива типа «FADEC» (ГТД: CFM56 (5B, 7B), RB211-535E4, V2500-A5, PW4000, Trent500, SaM146, ПС-90, Д-30, ТВД); направления развития в разработке систем «FADEC».

Учебное пособие предназначено для студентов авиационных вузов.

Литература 22 назв.

Рецензенты:

Содержание

Основные условные обозначения, сокращения………………………………....………...……….

Предисловие……………………………………………………………………...…………………...

Введение………………………………………………………………………………………………

Часть 2

Системы автоматического управления (регулирования) двигателем и подачей топлива

Глава 5. Эволюция развития и основные задачи САУ (САР) двигателем и подачей топлива.…

5.1. Эволюция развития САУ (САР) двигателем и подачей топлива.........................................

5.2. Основные задачи САУ (САР) двигателем и подачей топлива………….…..……….…….

Проверьте, как Вы усвоили материал………………………………………………………...

Глава 6. Режимы работы самолетов коммерческих авиалиний……...…………………..……….

6.1. Режимы работы ТРДД, сертифицированных в соответствии с EASACS-E и FAR33…...

6.2. Особенности режима МГ ……………………………………………………………………

6.3. Двигатели со слабой зависимостью тяги от внешних условий (р_н* и T_н*)…….………..

Проверьте, как Вы усвоили материал……………………………………………………….

Глава 7. Программы управления (регулирования) САУ (САР) двигателем и подачей топлива….

7.1. Регулирование тяги и частоты вращения роторов………………………………………..

7.1.1. Регулирование частоты вращения ротора высокого давления (N2)…………………...

7.1.2. Регулирование частоты вращения ротора низкого давления (N1) и степени повышения давления в двигателе…………………………………………………………………

Проверьте, как Вы усвоили материал……………………………………………………..

Глава 8. Гидромеханические САУ (САР) двигателем и подачей топлива…………………..……

8.1. САУ (САР) двигателем и подачей топлива ТРДД АИ-25…………………………………

8.2. САУ (САР) двигателем и подачей топлива ТРДД CFM56-2…………………………….

8.3. САУ (САР) двигателем и подачей топлива ТВ3-117…………………………………….

Проверьте, как Вы усвоили материал………………………………………………………..

Глава 9. Полуэлектронные САУ (САР) двигателем и подачей топлива ……….…………………...

9.1. САУ (САР) двигателем и подачей топлива ТРДД CFM56-3 и CF6-80C2 версии с РМС..

9.1.1. САУ (САР) двигателем и подачей топлива ТРДД CFM56-3 версии с РМС……….…

9.1.2. САУ (САР) двигателем и подачей топлива ТРДД CF6-80C2 версии с РМС…………...

9.1.3. САУ (САР) двигателем и подачей топлива ТВД…………………………………….….

Проверьте, как Вы усвоили материал………………………………………………………..

Глава 10. Электронные САУ (САР) двигателем и подачей топлива типа «FADEC»……………...

10.1. Основные задачи САУ (САР) типа «FADEC»…………………………..………………...

10.2. Устройство САУ (САР) типа «FADEC»……………………………..……………………

10.3. Интерфейс «Самолет/Двигатель»………………………………………………………..

10.4. САУ (САР) двигателем и подачей топлива конкректных двигателей…………………

10.4.1. ТРДД CFM56 - (5B, 7B)………………………………………………………………

10.4.2. ТРДД RB211-535E4……………………………………………………………………

10.4.3. ТРДД V2500-A5……………………………………………………………………..…

10.4.4. ТРДД PW4000………………………………………………………………………….

10.4.5. ТРДД Trent500…………………………………………………………………………

10.4.6. ТРДД SaM146………………………………………………………………………….

10.4.7. ТРДД ПС-90……………………………………………………………………………

10.4.8. ТРДД Д-30КП (КУ)…………………………………………………………………..

10.4.9. ТВД……………………………………………………………………………………

10.5. Направления развития в разработке систем «FADEC»………….………………………..

Проверьте, как Вы усвоили материал……………………………………………………….

Заключение……………………………………………………………………….............................

Список использованной литературы……………………..…………………….............................

Условные обозначения

V_п – скорость полета, м/с

Н – высота полета, м (км)

М – число Маха (отношение скорости потока к скорости звука)

а – скорость звука, м/с

с – скорость потока, м/с

p₁^* – давление заторможенного потока воздуха на входе в компрессор, Па (кПа)

p₂^* - давление заторможенного потока воздуха на выходе из компрессора, Па (кПа)

p₁^*/ p_H – степень понижения давления в сопле

א = p_1/p_x – положение прямого замыкающего скачка

∆ p_ДУ – перепад давления топлива на дозирующем устройстве, Па (кПа)

V – объем, м³

Δ V – изменение объема, м³

υ – удельный объем, м³/кг

ρ – плотность, кг/м³

t – температура по шкале Цельсия, °С

n_ТК_–частота вращения турбокомпрессора, %

n_СТ - частота вращения свободной турбины, %

n_ВИНТА -частота вращения винта, %

n_пр – приведенная частота вращения ротора, %

n_max –максимальная частота вращения ротора, %

n_взл – частота вращения ротора двигателя на взлете, %

Т₁* – абсолютная температура заторможенного потока воздуха на входе в компрессор, К

Т_Г* - абсолютная температура заторможенного потока газа перед турбиной, К

Т_ф* - абсолютная температура газа в форсажной камере сгорания, К

F₁и F₂ – площадь сечения сопла 1-го и 2-го, соответственно, контуров, м²

F_{кр с} –площадь критического сечения сопла, м²

g(t) – входное задающее воздействие (ВВ)

y(t) – регулирующий фактор (РФ)

f(t) – возмущающее воздействие (ВВ)

x(t) – регулируемый параметр (РП)

ε (t) – сигнал ошибки

Δ Т – изменение абсолютной температуры, К

R – газовая постоянная, Дж/(кг·К)

L – удельная работа, Дж/кг

Q – количество теплоты, Дж

k, k_г – показатель адиабаты для воздуха, газа

С – теплоемкость рабочего тела, Дж/К

F – площадь проходного сечения, м²

L_к –координата, характеризующая положение конуса (панелей клина) ВЗ

γ – координата, характеризующая положение выпускных противопомпажных створок

m_{н о} – координата, характеризующая положение регулирующего органа, мм

G_Т – секундный массовый расход топлива, кг/с

G_Т _ОКС– секундный массовый расход топлива в основную камеру сгорания, кг/с

G_Т _ФКС– секундный массовый расход топлива в форсажную камеру сгорания, кг/с

α _СА_–углы установки лопаток соплового аппарата турбины, град

φ _В – угол установки лопастей для ТВД, град

φ _НАК– углы установки лопаток НАК, град

φ ₁и φ ₂ – углы установки лопаток вентилятора, град

φ _{Л СТ} – угол установки поворотных лопаток статора компрессора, град

P_дв – тяга двигателя, Н (кН)

С_уд – удельный расход топлива, кг/с

P_max – максимальная тяга двигателя, Н (кН)

P_кр – тяга двигателя на крейсерском режиме, Н (кН)

P_ЗМГ– тяга двигателя на земном малом газе, Н (кН)

P_уд –удельная тяга двигателя, Н (кН)

N – мощность, Вт (кВт)

n₁- частота вращения ротора (вала)ТК, %

n₂ - частота вращения ротора (вала) вентилятора, %

n_н – частота вращения ротора компрессора низкого давления, %

n_в - частота вращения ротора компрессора высокого давления, %

Т₃*(Т₄*) – температура газов за КС (температура газов за турбиной)

σ - коэффициент восстановления полного давления воздух в ВЗ

G_в - расход воздуха через компрессор, кг/с

α _кс - коэффициент избытка воздуха в камере сгорания

С_в - скорость воздуха, м/с

С_с - скорость газа из сопла, м/с

p_к^*_max – максимальное давление воздуха за компрессором, Па (кПа)

η _к - КПД компрессора

η _т - мощностной КПД турбины

М_кр-крутящий момент,?

∆ к_у_min – запас газодинамической устойчивости компрессора

π _к – степень повышения давления воздуха в компрессоре

π _т – степень понижения давления газа в турбине

π _с – степень понижения давления газа в сопле

π _кр. – критическая степень понижения давления газа

π _∑ – степень повышения (понижения) давления воздуха в двигателе

m – степень двухконтурности

Ө – степень подогрева воздуха в двигателе

; Ө .

Основные сечения потока

Н–Н – невозмущенный поток перед двигателем

Вх–Вх – вход во входное устройство

В–В – вход в компрессор

К–К – выход из компрессора

Г–Г – вход в турбину

Т–Т – выход из турбины

С–С – выход из реактивного сопла

Кр–Кр – критическое сечение

Сокращения

АГТСУ – авиационные газотурбинные силовые установки

ЛА – летательный аппарат

АД – авиационный двигатель

ГТД – газотурбинный двигатель

ТРД – турбореактивный одноконтурный двигатель

ТРДД – турбореактивный двухконтурный двигатель

ТРДФ – ТРД с форсажной камерой сгорания

ТРДДФ – ТРДД с форсажной камерой сгорания

ТВД – турбовинтовой двигатель

ТВаД – турбовальный двигатель

Вх. У – входное устройство

К – компрессор

КНД – компрессор низкого давления

КВД – компрессор высокого давления

ОКС – основная камера сгорания

Т – турбина

СТ – свободная турбина

ТНД – турбина низкого давления

ТК - турбокомпрессор

ФКС – форсажная камера сгорания

ГВТ – газовоздушный тракт

НАК – направляющие аппараты компрессора

КПД – коэффициент полезного действия

ПОС – противообледенительная система

ВЗ – воздухозаборник

Вых. У – выходное устройство

РС – реактивное сопло

РУ – реверсивное устройство

СА – сопловой аппарат

СУ – газотурбинная силовая установка летательного аппарата

АС – автоматическая система

САУ – система автоматического управления

САР – система автоматического регулирования

АУУ – автоматическое управляющее устройство

ПУ – программа управления

ОУ – объект управления

УО – управляющий орган

УП – управляемый параметр

УФ – управляющий фактор

РФ – регулирующий фактор

ПРП – параметры рабочего процесса

ЗВ – задающее воздействие

УВ – управляющие воздействия

ВВ – возмущающие воздействия

РУД – ручка управления двигателем

ГЗ – гидрозамедлитель

МБФ – механизм блокировки включения форсажа

FADEC – Full Authority Digital Engine Control – цифровая система управления двигателем с полной ответственностью

ОС – обратная связь

ЗУ – задающее устройство

ЧЭ – чувствительный элемент

СУ – сравнивающее устройство

ПУ – преобразующее устройство

РО – регулирующий орган

ДК – дозирующий кран

ДУ_ОК – дозирующее устройство основного контура

УУ – усилительное устройство

КК – корректирующее устройство

ИУ – исполнительное устройство

ПЗУ – программное задающее устройство

БК – боевая кнопка

МГ – режим малого газа ГТД

МАХ – максимальный режим работы ГТД

НОМ – номинальный режим работы ГТД

КР – крейсерский режим работы ГТД

ЗМГ – режим земного малого газа

ПМГ – режим полетного малого газа

ПФ – полный форсированный режим

ЧФ – частичный форсированный режим

МФ – режим минимального форсирования

ЧР – чрезвычайный режим

АОУ – агрегат объединенного управления

МОУ – механизм объединенного управления

РОШ – рычаг общего шага

РЧВ – регулятор частоты вращения

АДТ – автомат дозировки топлива

ИКМ – измеритель крутящего момента

ТАД – теория авиадвигателей

МСА – международная стандартная атмосфера

Используемые индексы

* – параметры заторможенного потока

вх – параметры на входе во входное устройство

в – параметры на входе в компрессор

к – параметры на выходе из компрессора

г – параметры на входе в турбину

т – параметры на выходе из турбины

с – параметры на выходе из реактивного сопла

кр – параметры в критическом сечении

вх. у. – входное устройство

вых. у. – выходное устройство

в – воздух

г – газ

кр. – критический

к.с. – камера сгорания

к – компрессор

Предисловие

В задачу данного учебного пособия входит знакомство читателя: в первой части - с теоретическими основами устройства и работы систем автоматического управления (регулирования) авиационных газотурбинных силовых установок; во второй части – с устройством и работой систем автоматического управления (регулирования) двигателем и подачей топлива, применяемых в авиации в настоящее время.

Изложение учебного материала данной дисциплины опирается на знания, полученные при изучении следующих дисциплин и их тем.

Высшая математика:

- алгебраические уравнения, решения алгебраических уравнений, основные положения дифференциального исчисления;

- обыкновенные дифференциальные уравнения, решение линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами;

- неопределенные и определенные интегралы;

- комплексные числа и функции комплексных переменных, алгебраические действия с комплексными числами.

Физика:

- физические свойства жидкостей и газов;

- законы сохранения массы, количества движения и энергии;

- первый и второй законы Ньютона;

- динамика материальной точки, условия равновесия механической системы, единицы размерности физических величин.

Теория авиационных двигателей:

- многоступенчатые осевые компрессоры;

- характеристики компрессоров;

- работа и характеристики газовых турбин;

- эксплуатационные характеристики авиационных ГТД.

Основы автоматики (весь курс).

Применение систем автоматического управления (регулирования) является важным моментом в развитии всей авиационной техники и, в частности, в решении вопросов надежности, долговечности и экономичности силовых установок, используемых на летательных аппаратах.

Изучение дисциплины " Автоматика управления авиационными двигателями" обеспечивает подготовку студентов к изучению специальных учебных курсов, входящих в программу подготовки инженеров специальности 160901 и, в частности, таких курсов как:

- техническая эксплуатация ЛА и АД;

- диагностика технического состояния АД;

- конструкция и прочность авиационных двигателей;

- самолеты и двигатели ГА;

- безопасность полетов (техническая эксплуатация и расследование летных происшествий);

- дипломное проектирование.

В результате изучения дисциплины «Автоматика управления авиационными двигателями» авиационный инженер сможет в процессе технической эксплуатации ЛА и АД:

- анализировать системы регулирования авиационных ГТД по их структуре;

- устанавливать возможные причины и проводить инженерный анализ эксплуатационных отказов элементов САУ;

- формировать требования к проведению отладки автоматических систем управления ГТД.

Настоящее учебное пособие написано в соответствии с рабочей программой дисциплины «Автоматика управления авиационными двигателями» для специальности 160901 — «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей» и профилю подготовки (специализация) «Техническое обслуживание летательных аппаратов и двигателей (ТОЛААД)» и состоит из двух разделов: раздел I — Теоретические основы устройства и работы систем автоматического управления (регулирования) авиационных газотурбинных силовых установок (АГТСУ); раздел II — Системы автоматического управления (регулирования) двигателем и подачей топлива, применяемых в авиации в настоящее время.

При создании пособия автор исходил из необходимости в небольшом объеме изложить теоретические основы дисциплины на уровне современных достижений автоматики управления авиадвигателями, подчинив изложение материала задачам подготовки авиационного инженера.

Введение

Авиационные газотурбинные силовые установки (АГТСУ) современных летательных аппаратов достигли высокой степени технического совершенства. Они позволяют получать при работе на расчетном режиме необходимую тягу (эквивалентную мощность) при относительно низких значениях удельной массы и удельного расхода топлива. Однако для улучшения характеристик силовых установок на нерасчетных режимах при различных окружающих условиях, а также по мере расширения диапазона скоростей и высот полета летательных аппаратов возникает потребность в управлении все большим числом параметров рабочего процесса, в усложнении программ управления (регулирования) и в повышении их точности. Успешное решение этих задач возможно только средствами автоматики, т.е. в результате использования систем автоматического управления (регулирования).

Системы автоматического управления (регулирования) реализуют без непосредственного участия человека в замкнутом контуре САУ все выработанные человеком заранее или в процессе функционирования объекта алгоритмы действия. Роль человека при этом сводится к пуску и выключению системы, эпизодическому контролю за правильностью ее работы, регулированию, отладке, техническому обслуживанию и другим вспомогательным функциям, непосредственно не связанным с выполнением системой процесса регулирования АГТСУ.

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.

Развитие авиации тесно связано с расширением диапазона эксплуатационных высот и скоростей полета самолетов и вертолетов, с увеличением дальности полета. Но все эти достижения невозможны без совершенствования систем управления силовыми установками, что позволяет улучшать их экономические показатели, повышать надежность наряду с улучшением эффективности термодинамического цикла двигателей.

Успешное совершенствование авиационной техники возможно только при широком использовании новейших достижений в области автоматического управления. Объясняется это сложностью происходящих процессов, изменяющимися свойствами объектов управления в процессе полетов, а также необходимостью оптимизации процессов для получения нужных удельных параметров.

В развитие автоматики вложен труд многих отечественных и зарубежных ученых. С именем великого русского ученого М.В.Ломоносова связано начало развития приборостроения. Автоматический центробежный регулятор, принцип работы которого лежит и в основе всех современных регуляторов частот вращения валов, был разработан и испытан еще в 1785 г. И.И.Ползуновым, за 20 лет до изобретения регулятора братьев Уатт.

В 1850 г. Э.Х.Ленц разработал осциллограф, изобретатель А.П. Давыдов в 1865 г. Создал следящий привод, а в 1874 г. В.Н. Чиколев разработал электрический регулятор со следящей системой. Профессор Петербургского института И. А. Вышнеградский в 1877 г. заложил основы теории автоматического регулирования. Дальнейшее развитие теория автоматического регулирования получила в работах А.М. Ляпунова, П.Л. Чебышева и особенно в трудах «отца русской авиации» профессора Н.Е. Жуковского. Зарождение авиации послужило толчком к развитию авиационной автоматики. Еще в 1898 г. К.Э.Циолковский предложил схему автопилота для летательного аппарата.

После Великой Октябрьской социалистической революции большой вклад в развитие теории автоматического регулирования внесли такие ученые, как М.А. Айзерман, Н. Н. Богомолов, И.Н. Вознесенский, В.С. Кулебакин, В. А. Трапезников, Б.Н. Петров, В.В. Солодовников, Я.З. Ципкин, А.М. Летов, А.М. Михайлов и многие другие. Из зарубежных ученых значителен вклад А.Стодола, А. Гурвица, Э. Льюиса и Х. Стерна и многих других специалистов.

Первые системы автоматического управления газотурбинных двигателей были гидравлическими. Новое качественное развитие автоматика получила после создания электронных систем, позволяющих быстро перерабатывать полученную информацию о процессах, которые происходят в системе, осуществлять моделирование САУ и их дифференциальных уравнений, находить решение для оптимизации рабочих процессов.

Применение вычислительной техники в САУ явилось результатом разработанной ранее академиком А.Н. Крыловым теории решения машинным способом сложных дифференциальных уравнений и систем.

В начале 40-х годов американский ученый Шенон и советский физик В.И. Шестаков независимо друг от друга предложили применение аппарата математической логики к анализу и синтезу релейных систем.

Развитие полупроводниковой техники и решение вопросов технологии изготовления полупроводниковых радиоэлементов с использованием многослойного печатного монтажа и автоматизированного производства интегральных схем позволили снизить их массу и повысить надежность, что дало возможность шире применять их в системах автоматики. Огромный скачок в развитии автоматического управления был совершен в послевоенные годы, когда в системах автоматического регулирования стали использовать быстродействующие электронные вычислительные машины. Развитие вычислительной техники сделало возможным создание больших автоматических систем управления.

В современных сложных авиационных системах автоматики электронно-вычислительные машины включаются непосредственно в цепь автоматического управления, причем вычислительный комплекс может осуществлять автоматический поиск оптимального режима работы управляемого объекта.

Развитию комплексной автоматизации управления большим числом взаимосвязанных параметров газотурбинных двигателей способствовали труды многих советских ученых, работающих в этой области автоматики. Широко известны работы Т.М. Башты, В.А. Боднера, Б.А. Черкасова, А.А. Шевякова, А.В. Штоды и др.

Часть 2.

12 3 4 5 6 7 8 Следующая ⇒