книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 5 Автоматика и регулирование авиационных двигателей и энергетических установок
.pdf1.1. Системы автоматического управления и контроля авиационных ГТД
ствии с полученным от основного или резервного регулятора сигналом управления. Исполнительные механизмы гидромеханические, пневмомеханичес кие или электромеханические (гидропневмоцилин дры, гидропневмомоторы, электромоторы, сельсинмоторы и т.п.).
1.1.3. Основные характеристики САУ
К основным характеристикам САУ относятся:
-программы управления;
-точность выполнения программ;
-масса, масса сухая;
-применяемое топливо;
-параметры топлива на входе;
-класс чистоты топлива, обводненность топлива;
-параметры электропитания;
-удельные характеристики;
-стойкость, устойчивость к внешним воздей ствующим факторам;
-климатическое исполнение аппаратуры;
-срок службы, ресурс;
-показатели безотказности, надежности;
-ремонтопригодность;
-эксплуатационная технологичность;
-технико-экономические показатели;
-контролепригодность.
При рассмотрении характеристик САУ необхо димо иметь в виду, что, как правило, САУ рассмат ривается совместно с системой топливопитания. Поэтому некоторые характеристики относятся и к САУ, и к топливной системе.
Программы управления
Программы управления обеспечивают функци онирование двигателя на статических и переход ных режимах и соответствие дроссельных, высот но-скоростных и эксплуатационных характеристик техническим требованиям. Возможные программы управления приведены в разд. 1.1.5.
Точность выполнения программ
Точность выполнения программ задается исхо дя из обеспечения поддержания заданной тяги и ус тойчивой работы компрессора и камер сгорания, обеспечения защиты от превышения предельно допустимых параметров.
Масса, масса сухая
На всех стадиях жизненного цикла (ЖЦ) авиа ционного ГТД руководствуются следующими поня тиями по массе САУ:
-масса сухая;
-масса в реальной компоновке;
-масса поставочная.
Масса сухая - масса САУ, без деталей, сбороч ных единиц и агрегатов, предназначенных для его установки и эксплуатации на борту летательного
аппарата (ДА) для улучшения характеристик ДА, а также без массы рабочих жидкостей.
Масса в реальной компоновке - масса САУ, со ответствующая всем требованиям ТЗ, без массы деталей, сборочных единиц и агрегатов, предназ наченных для обслуживания ДА.
Масса поставочная - масса САУ в реальной ком поновке, укомплектованной деталями, сборочны ми единицами и агрегатами.
Массу сухую и массу в реальной компоновке рассчитывают с учетом вычета части массы, отне сенной к массе ДА. Коэффициент пропорциональ ного распределения массы блоков управления:
^*УПР “ -^УПр/п |
(1*0 |
где # упрколичество функций, заведенных в блок для управления двигателем;
п- общее количество функций блока.
Применяемое топливо
Номенклатура применяемого в авиационных двигателях топлива приведена в разд. 2.1.3. В этом же разделе приведены и другие характеристики, относящиеся к топливной системе.
Параметры электропитания
Агрегаты САУ питаются от источников постоян ного тока напряжением 27В по ГОСТ 19705-81. От дельные датчики питаются от источников перемен ного тока частотой 400Гц напряжением 115В.
Электропитание осуществляется от бортсети генераторов самолета. Наиболее ответственные устройства дополнительно запитываются от акку муляторной батареи.
В САУ дополнительно к бортовому может быть автономный источник питания - автономный гене ратор, как правило, переменного тока, работающий только на САУ и обеспечивающий бесперебойное электропитание при отказах в бортсети. В этом слу чае в электронном регуляторе имеется преобразова тель, обеспечивающий электропитанием устройства САУ с необходимыми для устройств автоматики па раметрами тока.
Параметры топлива на входе
Топливо подается на вход в топливную систе му двигателя из топливной системы самолета. Топ ливо имеет определенные параметры:
-давление минимально допустимое и макси мальное рабочее,
-давление минимальное при неисправной или выключенной самолетной системе подачи топлива;
-температура минимально и максимально воз можная.
Удельные характеристики
Удельные характеристики отражают совершен ство конструктивного исполнения САУ. К удельным
15
Глава L Системы автоматического управления и контроля
характеристикам относят удельную массу и массу функции САУ.
Удельная масса САУ - масса САУ, отнесенная
кмаксимальному расходу топлива в двигатель. Масса функции - масса САУ, отнесенная к общему количеству функций, выполняемых системой.
Стойкость, устойчивость к воздействию вне шних факторов
Система должна быть стойкой и устойчивой
квнешним факторам.
Внешние воздействующие факторы задаются в ТЗ на двигатель и нормативных документах для различных вариантов применения двигателя.
Учитывают следующие факторы:
-температура рабочая и предельная минималь ная и максимальная окружающей среды;
-давление максимальное и минимальное окру жающей среды;
-вибрация;
-удар;
-песок;
-влажность;
-плесневые грибы, микроорганизмы;
-электромагнитные импульсы, радиационное излучение;
-акустический шум.
Климатическое исполнение аппаратуры
САУ и ее элементы предназначают для эксп луатации в одном или нескольких макроклиматических районах и изготавливают в требуемом кли матическом исполнении. Тип климатического ис полнения задается разработчиком летательного аппарата и обеспечивается разработчиком САУ посредством выбора соответствующих материа лов для изготовления элементов САУ и комплек тующих. Климатическое исполнение подтвержда ется испытаниями при воздействии внешних кли матических факторов - температура, давление, влажность воздуха, солнечная радиация, песок, коррозионно-активные агенты в атмосферном воз духе.
Номенклатура типов и характеристика макроклиматических районов, климатических исполне ний и жесткости климатических воздействующих факторов приведена в ГОСТ 15150-69.
Материал корпусов агрегатов
Корпуса агрегатов изготавливаются из легких сплавов. Нагруженные корпуса, находящиеся под большим давлением топлива, изготавливаются из стали.
Ведутся исследовательские работы по примене нию неметаллических и композитных материалов, которые позволят уменьшить массу агрегатов.
Срок службы, ресурс агрегатов
Срок службы агрегатов устанавливается 8... 12 лет и задается в ТЗ на агрегаты. При проектиро
вании агрегаты рассчитываются на этот ресурс. С учетом ресурса и срока службы выбираются ком плектующие (электромагнитные клапаны, испол нительные механизмы, датчики и пр.).
Как правило, срок службы и ресурс агрегатов устанавливается такой же, как и у двигателя. Одна ко, в отдельных случаях допускается иметь ресурс меньший и кратный ресурсу двигателя. В этом слу чае при ремонте двигателя производится замена агрегатов, выработавших ресурс. В настоящее вре мя с развитием средств диагностики стал возмо жен переход на эксплуатацию двигателя и его аг регатов по их техническому состоянию, а не по назначенному ресурсу.
Показатели безотказности, надежности САУ К основным показателям безотказности отно
сятся:
-Гдсд—наработка на отказ, приводящий к дос рочному съему двигателя. Учитываются отказы САУ, приводящие к превышению предельно допу стимых параметров или помпажу двигателя, по влекшие съем двигателя.
-Гоп - наработка на отказ, приводящий к вык лючению двигателя в полете. Учитываются также отказы САУ, приводящие к ложному выключению двигателя.
-Тс- наработка на неисправность, выявленную
вполете и на земле. Учитываются неисправнос ти САУ, приводящие к необходимости досрочно го съема агрегатов САУ или проведения ремонт ных работ на агрегатах САУ или проведения монтажных работ на линиях связи.
-Тэч - наработка на отказ электронной части САУ, приводящий к переходу на резервную авто матику
-ТП0 - наработка на отказ, приводящий к опас ным последствиям.
Ремонтопригодность САУ При создании САУ могут быть заданы следую
щие виды выполнения ремонта: ремонт в услови ях мастерской, в полевых условиях, на заводе из готовителе или агрегаты неремонтопригодные
ив случае отказа подлежат съему с эксплуатации. Для обеспечения ремонтопригодности САУ при работе агрегата и в условиях испытательного стен да выполняется его диагностика глубиной до смен ного блока, агрегата.
Эксплуатационная технологичность
Показателями эксплуатационной технологично сти САУ являются:
-трудоемкость и длительность демонтажа
имонтажа агрегатов;
-трудоемкость и длительность отыскания и ус транения неисправности;
-трудоемкость и длительность проведения рег ламентного ТО;
16
/. 1. Системы автоматического управления и контроля авиационных ГТД
- трудоемкость и длительность регулировок аг регатов.
Технико-экономические показатели
К технико-экономическим показателям отно сятся:
-стоимость ЖЦ САУ;
-стоимость разработки САУ;
-стоимость комплекта САУ и отдельных агре гатов и датчиков;
-сроки создания САУ.
Здесь же могут быть рассмотрены также воз можные капитальные затраты на подготовку про изводства комплектующих САУ.
Контролепригодность САУ
Контролепригодность САУ и агрегатов задает ся разработчиком двигателя. Контролепригодность обеспечивается:
-наличием специальных встроенных сигнали заторов исправного состояния;
-системой самоконтроля с заданной глубиной контроля, выдающей информацию об отказах в кон трольно-проверочную и информационно-сигналь ные системы и регистраторы информации;
-системой тестирования состояния элементов САУ бортовой или технологической наземной ап паратурой.
1.1.4. Работа САУ. Работа на режимах запуска
САУ обеспечивает следующие виды запуска и вспомогательные режимы, необходимые при эк сплуатации двигателя:
-запуск двигателя на земле;
-запуск двигателя в полете с подкруткой и без подкрутки ротора компрессора двигателя;
-встречный запуск;
-холодная прокрутка;
-ложный запуск.
Подробно описание пусковой системы, работы САУ и других систем, агрегатов и устройств на режимах запуска приведены в разд. 12.4.
Работа на режимах останова
Подача топлива выключается по команде пило та или автоматически при срабатывании защиты от предельных параметров.
Агрегаты топливной системы (дозатор топлива или распределитель топлива по коллекторам фор сунок основной КС) имеют устройство выключе ния подачи топлива в КС. Устройство выключения управляется из кабины пилота специальной ручкой с механическим приводом (тросовая проводка или тяга) или электроприводом. Устройство выключе ния подачи топлива может иметь электромагнитный клапан, установленный дополнительно к механи ческому (электромеханическому) приводу или вме сто него. Электромагнитный клапан управляется
по электрическому сигналу из кабины пилота или от САУ.
Работа на основных режимах
Управление двигателем на статических и пере ходных режимах выполняется по заданным про граммам в зависимости от:
-положения РУД,
-сигналов бортовой САУ
-внутридвигательных параметров,
-параметров воздуха на входе в двигатель,
-сигналов от взаимодействующих и управляе мых систем двигателя.
Электронный регулятор принимает указанные сигналы от датчиков, вырабатывает управляющие сигналы и выдает их на преобразователи испол нительных механизмов САУ. Исполнительные ме ханизмы приводят регулирующие органы двига теля.
Включение и выключение форсажного контура
При переводе рычага управления двигателем (РУД) в сектор форсажных режимов включается форсажный насос и топливо от регулятора (доза тора) расхода топлива поступает в пусковой кол лектор ФК. При этом расход топлива несколько превышает требуемую по программе величину для ускорения заполнения коллектора. Одновременно включается устройство розжига ФК - пусковые воспламенители. После розжига, фиксируемого датчиком наличия пламени, устройство розжига отключается и разрешается дальнейшее увеличе ние форсажного режима.
Для повышения устойчивости компрессора и КС при включении ФК применяют ускоренное заполнение коллекторов (для уменьшения забро са давления топлива) и предварительное раскры тие сопла на величину, достаточную для компен сации броска топлива в ФК из коллектора после его заполнения. При увеличении форсажного ре жима в момент включения коллекторов ФК подача топлива также неравномерна. Для компенсации этой неравномерности в темпе приемистости и для уве личения запасов ГДУ компрессора регулируемое сопло открывается на несколько большую величи ну, чем на статическом режиме при данном про граммном расходе топлива. При уменьшении фор сажного режима расход топлива в ФК уменьшается и по заданной программе управления отключается подача топлива в коллекторы. При переводе РУД
всектор бесфорсажных режимов выключается форсажный насос и закрываются запорные клапа ны в коллекторах ФК.
Для аварийного выключения ФК синхронно
вускоренном темпе отключается подача топлива
вколлекторы и закрывается сопло. При аварий ном принудительном закрытии сопла ускоренно
17
Глава 1. Системы автоматического управления и контроля
выключается подача топлива в ФК. Синхронное ускоренное управление отсечкой топлива и зак рытием сопла необходимо для исключения рас крутки роторов компрессора или потери ГДУ ком прессора.
Работа противопомпажной и протнвосрывной систем
Датчики помпажных или срывных явлений фик сируют предпомпажное состояние или начальную стадию развития помпажа (срыва потока воздуха) и выдают сигнал в блок противопомпажной систе мы (ППС) САУ. В электронных САУ функция блока ППС реализована в электронном регуляторе. Помпажный срыв может быть также выявлен электрон ным регулятором обработкой сигнала со штатного датчика измерения давления в тракте компрессора. При фиксировании помпажа или предпомпажного состояния САУ управляет расходом топлива и ме ханизацией компрессора для повышения запасов ГДУ и уменьшения нагрузок и температурного воз действия на элементы конструкции двигателя, ко торые возникают при возмущениях в газовоздуш ном тракте.
Работа на режимах обратной тяги
Как правило, устанавливается два режима об ратной тяги:
-минимальная обратная тяга;
-максимальная обратная тяга.
Управление статическими и переходными режи мами осуществляется по тем же программам, что и на режимах прямой тяги. Управление механиза цией газовоздушного тракта, обдувами корпусов, зазорами проточной части осуществляется по уп рощенным программам при условии обеспечения работоспособности узлов, ГДУ и заданного значе ния обратной тяги.
Для того, чтобы исключить нерасчетную нагруз ку на элементы реверсивного устройства до его пе рекладки в положение обратной тяги автоматичес ки блокируется (запрещается) увеличение режима сверх установленного для минимальной обратной тяги. При переходе с режима максимальной обрат ной тяги на режимы прямой тяги также блокирует ся перекладка реверсивного устройства в положе ние прямой тяги, пока режим работы двигателя не уменьшится до минимального (как правило - ма лый газ).
Совместная работа с системами управления самолета
Управление двигателями от вычислительной си стемы управления тягой (ВСУТ) осуществляется посредством одновременного перемещения РУД всех двигателей в кабине самолета от одного испол нительного механизма, входящего в состав ВСУТ. Одновременно из ВСУТ в электронный регулятор каждого двигателя выдаются в цифровом коде кор
ректирующие сигналы ДлвдК0РР. Сигналы форми руются по разности между заданным ВСУТ (ивдЗЛД) и программным (ивдпрог) значениями частоты вра щения ротора КВД каждого двигателя. По коррек тирующему сигналу электронного регулятора каж дого двигателя формирует программное значение на управление режимом своего двигателя:
п ПРОГ = |
Д и корр |
р* \ |
" в д |
J ^ Р У Д ’ ^ Л/в д |
,Л В Х ’ Г В Х ' |
Из ВСУТ в электронный регулятор каждого дви гателя для расчета максимально допустимых зна чений (ивд тахдоп) выдается информация об этапе полета самолета: взлет; уход на второй круг, набор высоты, крейсерский режим, продолжительная мак симальная тяга. В режиме взаимодействия элект ронный регулятор начинает работать со ВСУТ по приходу от нее сигнала о включении автоматичес кого режима работы.
Электронный регулятор в свою очередь выдает во ВСУТ следующие параметры:
-текущее значение ивдпрог;
-программное значение «ВДПР0Г;
-максимально-допустимое значение для данно
го этапа полета пип доп; - текущее значение пв.
Работа САУ на остановленном двигателе и проверках самолетных и двигательных сис тем
Для проведения регламентных работ, исследо вания неисправного состояния, проверки исправ ности электронной части САУ, взаимодействия ее с системами самолета и двигателя в САУ (на нера ботающем двигателе) подается напряжение пита ния и тестовые воздействия. Возможно проведение режимов холодной прокрутки и ложного запуска двигателя. Тестовые воздействия подаются из ка бины пилота или от специального технологическо го пульта. Пульт подсоединяется к контрольному разъему основного электронного агрегата (элект ронного регулятора). При помощи пульта возмож но изменение уставок программ управления (ре гулировка агрегата), проверка срабатывания защитных и блокирующих функций, проверка ис правности блоков электронной части САУ, ее дат чиков и линий связи.
1.1.5. Выбор САУ и ее элементов 1.1.5.1. Выбор САУ
Систему автоматического управления и контро ля выбирают исходя из требований к двигателю в целом, к САУ и ее элементам.
Правильность выбора САУ влияет не только на характеристики двигателя, но и на технико-эконо мические показатели. Процесс создания и эксплу
18
1.1. Системы автоматического управления и контроля авиационных ГТД
атации двигателя достаточно длителен, и САУ дол жна 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 прове ренных серийных элементов. Отрабатываются ос новные принципы. При этом обеспечивается про цесс создания двигателя на ранних этапах, без задержек из-за возможных отказов недоведенной окончательной САУ. Параллельно создается и до водится до установки на двигатель САУ оконча тельной конструкции.
1.1.5.2. Порядок разработки САУ
САУ, как правило, разрабатывает специализи рованное 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 комплектую щие САУ, если существующие комплектующие не обеспечивают выполнение требований ТЗ.
Этапы создания САУ:
-анализ нормативной технической документа ции, технических требований заказчика двигателя, опыта создания и эксплуатации аналогов и прото типов, изучение современных и перспективных раз работок в области САУ, комплектующих и техноло гий проектирования, изготовления и доводки;
-формирование предварительных требований;
-выполнение предпроектных исследований;
-выпуск ТЗ на создание САУ или комплектую щего изделия;
-анализ технических предложений разработчи ков САУ и ее комплектующих;
-разработка и экспертиза эскизного (техничес кого) проекта, проведение конкурса на создание САУ (комплектующего изделия);
-уточнение ТЗ по результатам анализа эскиз ного (технического) проекта и проведения кон курса;
-разработка рабочей технической документа ции (схемы, чертежи, расчеты:
-макетирование агрегатов на двигателе, изго товление опытных образцов;
-проведение предварительных доводочных ис пытаний;
-уточнение рабочей конструкторской докумен тации;
-проведение официальных испытаний;
-внедрение образцов в серийное производство
иэксплуатацию.
В дальнейшем жизненном цикле продолжается доводка, совершенствование по результатам про изводства и эксплуатации.
При создании САУ учитывают следующие тре бования:
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 эксплуатаци онные материалы;
-внешние воздействующие факторы, климати ческое исполнение;
-область полетов;
-полетный цикл.
3) Требования нормативно-технической доку ментации:
- требования государственных и отраслевых стандартов, международных стандартов, нормалей, регламентов и руководящих технических докумен тов (РТМ).
Математические модели двигателя, САУ и ее элементов
При создании САУ и ее элементов, а также при создании двигателя широко применяют математи ческие модели двигателя, САУ и ее элементов. Это позволяет ускорить процессы разработки и довод ки. Применяют математические модели разных уровней. Полные нелинейные математические мо дели двигателя с упрощенной или полной моделью САУ применяются при отработке переходных про цессов двигателя во всех условиях эксплуатации. Линеаризованные и линейные модели двигателя применяют при расчете коэффициентов передаточ ных функций регулятора, а также при моделиро вании переходных процессов в САУ.
Применение математических моделей позволя ет провести расчет режимов работы, которые не возможно проверить на реальном двигателе из-за их опасности для конструкции. Проводя расчет, можно уточнить требования к точности и быстро действию элементов САУ или принять решение об изменении конструкции узлов двигателя. Напри мер, проводится расчет при обрыве вала привода вентилятора или компрессора и срабатывание си стемы защиты турбин от раскрутки. Наиболее до
19
Глава L Системы автоматического управления и контроля
стоверные результаты расчетов можно получить, применяя нелинейные поузловые математические модели двигателя, дополненные полной математи ческой моделью САУ.
1.1.5.3. Основные принципы выбора варианта САУ в процессе проектирования
При выборе САУ рассматриваются факторы тех нические, технико-экономические, технологические и организационные. Основополагающим критери ем является: выполнение технических требований на САУ при ее создании в пределах заданных сро ков и материально-финансовых ресурсов.
САУ двигателя ЛА не является самостоятель ным техническим объектом, а рассматривается как подсистема (элемент, структурная единица) систе мы (СУ ЛА). Элемент (САУ) может применяться в операции объекта и создавать в ней полезный эф фект только в составе объекта. Для решения зада чи выбора лучшей системы используется мате матический и аналитический аппарат теории эффективности [1.5,1.6]. Основополагающим по нятием этой теории является понятие эффектив ности.
Показатель эффективности есть мера степени соответствия реального результата требуемому ре зультату (цели). Достижение цели сопряжено с зат ратами различного рода ресурсов: материальных, энергетических, финансовых, трудовых, времен ных и др.
Применение аппарата теории эффективности и системного подхода при оценке и формировании облика САУ позволяют внести в процесс выбора си стемы элементы объективности, формализации. Это дает возможность выбрать для дальнейшей реализа ции максимально эффективный вариант САУ.
При разработке требований к техническому объекту, реализуя принцип системного подхода, од новременно формулируют требования к его систе мам, элементам. При формировании облика САУ учитываются как требования разработчиков объек та (ЛА), его подсистемы (СУ, двигателя), так и тре бования нормативно-технической документации.
На этапах предпроектного проектирования, раз работки технического предложения и эскизного проектирования из множества возможных вариан тов исполнения САУ выбирается оптимальный.
Вариантность САУ обусловлена множеством причин,например:
-технические требования могут быть выполне ны различными техническими средствами, в том числе различных разработчиков и поставщиков;
-реализация требуемых характеристик двигате ля может быть обеспечена различным сочетанием программ управления и регулируемых параметров;
-необходимость нахождения компромиссного
варианта с наибольшей эффективностью при не котором отклонении от заданных требований как технических, так и экономических;
- оценка повышения эффективности САУ при возможных вариантах ее усовершенствования.
Как было отмечено выше, САУ создает полез ный эффект только в составе объекта (ЛА).
Поэтому критерии выбора (сравнения, оценки) систем должны быть установлены, в первую оче редь, исходя из обеспечения эффективности объек та. Исходя из целей создания объекта, можно вы делить следующие критерии оценки (выбора) САУ (частные показатели эффективности):
а) выполнение объектом задачи - вероятность выполнения объектом задачи;
б) безопасность эксплуатации объекта - вероят ность 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 технологично сти;
к) масса; л) габариты.
Критерии е), ж), з), и) могут быть рассмотрены как самостоятельные, так и при определении кри терия в) в зависимости от принятой методики оценки САУ. В процессе анализа проекта может возникнуть необходимость учета дополнительных критериев (частных показателей эффективности).
1.1.5.4. Структурное построение САУ
Анализ выполненных систем аналогов и про тотипов
При создании САУ опираются на опыт, получен ный при создании систем двигателей, отечествен ной и иностранной разработки. Аналоги и прото типы выбираются для одного класса двигателей. Отдельные технические и схемные решения мо гут 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, мате риалов, совершенствования методологии создания двигателя.
Необходимо учитывать, что процесс создания двигателя достаточно длителен. Так, создание дви гателя нового поколения может длиться 8... 12 лет. Модификация двигателя может создаваться 2...5 лет. Длительность эксплуатации разрабатываемого дви гателя может достигать 40 лет и более. Поэтому при
20