Электрические системы регулирования частоты вращения роторов ГТД

Назначение, классификация систем управления режимами работы и регулирования параметров силовых установок.

Системы управления расходом топлива различных типов ГТД
отличаются большим многообразием схем и особенностями реализации основных принципов регулирования. С целью их краткого анализа ниже рассмотрены упрощенные структурные схемы систем управления подачей топлива наиболее распространенных типов двигателей.

Двухвальный ТРДД с основным топливным насосом управляемой производительности(рис. 1).

В качестве управляемого параметра для равновесных режимов данного двигателя принята частота вращения ротора высокого давления n_вд, программу стабилизации которой выполняет регулятор n_вд=const, воздействуя на основной топливный насос (ОТН) через сервомотор (СМ), изменяющий положение управляющего органа (УО) (обычно наклонной шайбы плунжерного насоса).

Рис. 1. Схема двухвального ТРДД с основным топливным насосом управляемой производительности

Такое воздействие на производительность ОТН приводит к изменению расхода топлива G_T, поступающего в двигатель через дроссельный кран (ДК) и дозирующую иглу ДИ автомата приемистости.

Режим работы двигателя задают вручную с помощью РУД, который изменяет проходное сечение ДК на увеличение или уменьшение подачи топлива и перенастраивает регулятор n_вд=const на соответствующую этому режиму частоту вращения.

Ограничение неуправляемых параметров ТРДД на их максимальных уровнях (предельно допустимых по условиям прочности и устойчивой работы узлов двигателя) осуществляют огра­ничители температуры газа перед турбиной Т₃, частоты вращения ротора низкого давления n_нд и полного давления воздуха за компрессором р*_к. Данные ограничители в случае превышения параметрами своих максимальных значений оказывают приоритетное воздействие на сервомотор ОТН, который перемещает управляющий орган УО в направлении уменьшения подачи топлива к форсункам до тех пор, пока какой-либо из ограничиваемых параметров не уменьшится ниже предельно допустимого уровня. Это сопровождается снижением управляемого параметра n_вд, в результате чего тяга двигателя станет меньше заданной положением РУД величины.

На переходных режимах подачей топлива управляет автомат приемистости (АП), обеспечивая необходимое соответствие между количеством подаваемого топлива и расходом воздуха через камеру сгорания таким образом, чтобы время переходного процесса было минимальным при условиях устойчивой работы узлов двигателя (компрессора, камеры сгорания) и безопасного (в смысле прочности) прогрева и охлаждения его деталей. АП измеряет расход воздуха по косвенным параметрам (n_вд, р*_к) и оказы­вает в соответствии с их изменением управляющее воздействие на сервомоторы ОТН и дозирующей иглы (ДИ), изменяя подачу топлива в двигатель по оптимальным законам независимо от ско­рости перемещения РУД при разгоне или сбросе газа.

В процессе запуска управление подачей топлива к рабочим форсункам осуществляет топливный автомат запуска (ТАЗ), который аналогично автомату приемистости обеспечивает опти­мальное соответствие между расходами воздуха и топлива на всех этапах процесса. ТАЗ измеряет расход воздуха по величи­нам давления воздуха за компрессором р₂ и в атмосфере р_н, а расход топлива — по величине его давления р_т за дроссельным краном. При избыточном расходе топлива ТАЗ перепускает его избыток в магистраль низкого давления (на вход в ОТН), в ре­зультате чего к форсункам поступает строго необходимое коли­чество топлива для обеспечения запуска за минимальное время при устойчивой работе компрессора, а также без превышений температуры газа перед турбиной и частот вращения роторов. После запуска двигателя ТАЗ прекращает перепуск топлива под действием возросшего давления воздуха за компрессором р_к, выключаясь из работы, а в работу вступает регулятор n_вд =const, выполняя заданную программу управления на режиме малого газа.

В схеме, приведенной на рис. 15.3, как и на других нижесле­дующих рисунках, в магистрали дозированного топлива для простоты не показан автоматический распределитель топлива (APT) по контурам рабочих форсунок.

Двухвальный ТРДД с основным топливным насосом неуправ­ляемой производительности(рис. 2).

Программу управления расходом топлива на равновесных режимах данного двигателя выполняет регулятор n_Bfl=const, воздействуя через автомат приемистости АП на сервомотор СМ, который в нужном направлении изменяет проходное сечение дозирующей иглы ДИ.

Рис. 2. Схема системы управления расходом топлива двухвального ТРДД с ОТН

неуправляемой производительности

При любом положении ДИ клапан перепада давления КПД поддер­живает заданный перепад давления топлива на ней путем перепуска избыточного количества топлива с выхода из ОТН на его вход. Изменение проходного сечения ДИ при сохранении перепада давления на ней обеспечивает возможность направленного изменения подачи топлива в двигатель.

Режим работы двигателя задают вручную с помощью РУД, который перенастраивает регулятор n_вд=const на соответствующую этому режиму частоту вращения и перемещает ограничитель хода дозирующей иглы (ОГХ), осуществляющий ограничение минимального расхода топлива при заданном положении РУД.

Ограничители неуправляемых параметров Т*_г, п _нди р*_к воздействуют на сервомотор дозирующей иглы, уменьшающий ее проходное сечение и подачу топлива к форсункам в случае превышения каким-либо из параметров своего максимально допустимого значения.

Топливный автомат запуска (ТАЗ) измеряет расход воздуха по косвенным параметрам (р_к и р_н) в соответствии с их изменением осуществляет подпитку магистрали дозированного топлива таким образом, чтобы время Запуска было минимальным при устойчивой работе компрессора и без превышения температуры газа и частот вращения роторов.

Трехвальный ТРДД с основным топливным насосом неуправ­ляемой производительности(рис. 3).

Для трехвального ТРДД с большой степенью двухконтурности наиболее удобным управляемым параметром является суммарная степень повыше­ния давления воздуха в компрессоре π_к∑, имеющая достаточно

Рис. 3. Схема системы управления расходом топлива трехвального ТРДД с ОТН

неуправляемой производительности

тесную связь с тягой двигателя и параметрами п _вд, Т*_г, оказывающими существенное влияние на прочность элементов его конструкции. Кроме того, величина π_к∑ характеризует запасы газодинамической устойчивости компрессора.

Для равновесных режимов работы данного ТРДД принята программа стабилизации суммарной степени повышения давле­ния воздуха в компрессоре, которую выполняет регулятор π_к∑ =const, воздействуя через автомат приемистости на сервомотор дозирующей иглы и изменяя ее проходное сечение. При любом проходном сечении дозирующей иглы регулятор перепада давления (РПД) поддерживает на ней перепад давления топлива, зависящий от величины π_к∑, путем перепуска избыточного количества топлива с выхода из ОТН в магистраль входа.

Режим работы двигателя зависит от положения РУД, связанные с которым механизмы перенастраивают регулятор π_к∑ =const на соответствующую задаваемому режиму величину π_к∑ и перемещают ограничитель хода ОГХ дозирующей иглы. Ограничители частот вращения роторов вентилятора п_в и высокого давления п _вдвоздействуют на регулятор перепада давления, увеличивая обратный перепуск топлива через него и уменьшая тем самым подачу топлива в двигатель в случае превышения на максимальном режиме параметрами п_в или п _вдсвоих предельно допустимых по условиям прочности роторов значений. По такому же принципу работает ограничитель температуры газа перед турбиной Т*_г, но ограничиваемая им величина не постоянна, как в предыдущих случаях, а зависит от положения РУД, который через задатчик ЗДК изменяет максимально допустимую температуру в соответствии с изменением режимов работы ТРДД. Это позволяет не только сохранить заданные запасы прочности деталей турбины на максимальном режиме, но и обеспечить достаточные запасы газодинамической устойчивости компрессора на всех дроссельных (пониженных) режимах.

На переходных режимах управление подачей топлива осуществляет автомат приемистости АП, через который регулятор π_к∑= const воздействует на сервомотор дозирующей иглы при разгоне и сбросе газа. В зависимости от величины π_к∑ АП изменяет скорость увеличения или уменьшения подачи топлива, обеспечивая протекание переходных процессов по оптимальным законам.

Топливный автомат запуска ТАЗ, сопоставляя на всех этапах процесса расход топлива G_T с величиной π_к∑, характеризующей расход воздуха, оказывает управляющее воздействие на сервомотор дозирующей иглы, который перемещает ее на увеличение подачи топлива к рабочим форсункам с оптимальными скоростями, позволяющими вывести двигатель на режим малого газа за минимальное время при нормальном протекании рабочего процесса в проточной части.

Одновальный ТВД с основным топливным насосом управляемой производительности(рис. 4).

Для улучшения тяговых характеристик и КПД воздушных винтов применяют винты с изменяемыми углами установки лопастей φ_вв, т. е. с изменяемой потребной мощностью их привода. Поскольку располагаемую мощность ТВД можно изменить только подачей топлива, используя с целью сохранения баланса мощностей совместно с φ_вв второй управляющий фактор — расход топлива G_T, — для этих двигателей необходимо применять два управляемых параметра, в качестве которых обычно принимают частоту вращения ротора п_Р, пропорциональную частоте вращения винта, и температуру газа перед турбиной Т*_г. Управление частотой вращения осуществляют воздействием на φ_вв, а температуру газа изменяют подачей топлива.

Программу стабилизации заданной частоты вращения ротора ТВД (одинаковой на всех его основных режимах) выполняет по замкнутой схеме регулятор n_P=const, изменяя через гидроусилитель (ГУ) угол установки лопастей воздушного винта φ_BB. На режиме малого газа этот регулятор выключен из работы тем, что винт установлен на упор минимального шага, а стабилизацию частоты вращения ротора осуществляет регулятор n_Mr=const, воздействуя на сервомотор СМ, который через управляющий орган УО изменяет производительность ОТН и подачу топлива к форсункам.

В одном узле совместно с регулятором n_Mr=const встроен ограничитель максимальной частоты вращения п_тах, уменьшающий расход топлива путем воздействия на ОТН управляемой производительности при недопустимом увеличении частоты вращения в процессе разгона двигателя.

Режим работы ТВД изменяют вручную с помощью РУД, который через автомат приемистости АП по определенной программе перенастраивает регулятор перепада давления РПД, поддерживающий заданный положением РУД перепад давления топлива на дозирующей игле ДИ путем изменения производительности ОТН.

Рис. 4. Схема системы управления расходом топлива одновального ТВД с ОТН управляемой производительности

Проходное сечение ДИ зависит от воздействующего на ее сервомотор СМ автомата высотно-скоростной корректировки АВСК при изменении полного давления воздуха на входе в двигатель р_в. Программа настройки РПД на заданный режим и характеристика АВСК подобраны таким образом, чтобы на основных рабочих режимах (при n_P=const) подача топлива к форсункам обеспечивала поддержание температуры газа перед турбиной Т*_г на близких к оптимальным постоянных уровнях независимо от условий полета.

Очевидно, что точность вышеуказанной (программной) стабилизации температуры газа перед турбиной невысока, поэтому в системе управления расходом топлива данного двигателя предусмотрен ограничитель величины Т* _г, который, косвенно измеряя ее по температуре газа за турбиной Т* _т

и атмосферному давлению р_н. осуществляет слив дозированного топлива в магистраль низкого давления в случае возможного превышения температурой Т* _г максимально допустимого по условиям прочности деталей турбины значения.

Для предохранения от перегрузок деталей редуктора в ТВД применяют ограничитель крутящего момента М_кр, который в случае превышения Л7_кр максимально допустимого значения (при взлете и наборе высоты на взлетном режиме в условиях низких TH) открывает частичный слив дозированного топлива в магистраль низкого давления, уменьшая его подачу к форсункам. Ограничитель крутящего момента поддерживает постоянную мощность двигателя от земли до расчетной высоты и обеспечивает таким образом заданную высотность ТВД при относительно небольшом расходе топлива на максимальных режимах.

Топливный автомат запуска осуществляет согласование расхода топлива с расходом воздуха через двигатель (измеряя их по косвенным параметрам) путем изменения производительности ОТН и подачи топлива к форсункам по оптимальному закону.

2.5. Вертолетный турбовальный двигатель с основным топливным насосом неуправляемой производительности(рис. 5).

Данный двигатель, так же как и ТВД, имеет два управляющих фактора — расход топлива G_T и угол установки лопастей несущего винта φ_HB

Рис. 5. Схема системы управления расходом топлива вертолетного ГТД с ОТН неуправляемой производительности

Однако в отличие от ТВД для него значительно сложнее решить задачу автоматического управления средним циклическим шагом несущего винта по замкнутой схеме из-за больших размеров винта и инерционности его элементов. Поэтому во многих случаях угол установки лопастей < р_нв изменяют вручную с помощью рычага «Шаг — газ» через механизм объединенного управления МОУ и гидроусилитель ГУ.

В качестве основного управляемого параметра для турбовального двигателя принимают частоту вращения ротора свободной турбины n_ст, пропорциональную частоте вращения винта. Программу ее стабилизации на одинаковом для всех основных рабочих режимов уровне выполняет регулятор n_CT=const, изменяющий с помощью сервомотора СМ проходное сечение дозирующей иглы ДИ, на которой КПД поддерживает заданный перепад давления путем перепуска избыточного количества топлива с выхода из ОТН на его вход. Режим работы двигателя в диапазоне режимов функционирования регулятора n_CT=const можно изменить загрузкой винта (ф_нв) с помощью рычага «Шаг—газ», что будет приводить к изменению подачи топлива, температуры газа перед турбиной компрессора и мощности свободной турбины.

На глубоких дроссельных режимах, в том числе и на режиме малого газа, регулятор n_CT=const из работы выключен, а управление расходом топлива осуществляет регулятор частоты вращения ротора турбокомпрессора п _тк, который поддерживает заданную положением рычага «Шаг — газ» величину п _ткна постоянном уровне, воздействуя через автомат приемистости АП на сервомотор дозирующей иглы, изменяющий ее проходное сечение и подачу топлива в камеру сгорания. На повышенных режимах механизм объединенного управления МОУ выключает из работы регулятор n_TK=const, в результате чего рычаг «Шаг — газ» может воздействовать только на загрузку несущего винта, изменяя ф_нв. При переводе рычага «Шаг — газ» в положение максимального режима МОУ вновь включает в работу регулятор п_ТК, который при этом обеспечивает ограничение максимальной частоты вращения ротора турбокомпрессора путем перемещения дозирующей иглы в сторону уменьшения подачи топлива в случае превышения величиной n_тк предельно допустимого уровня.

Ограничители температуры газа перед турбиной T_г и степени повышения давления воздуха в компрессоре π_к при выходе этих параметров за максимально допустимые границы подают управляющие сигналы на сервомотор дозирующей иглы, направленные на уменьшение подачи топлива в двигатель.

В рассматриваемом ГТД предусмотрено ограничение максимального расхода топлива с целью ликвидации избыточной мощности на малых высотах, что необходимо для предохранения от перегрузок деталей трансмиссии и редуктора вертолета, а также для обеспечения заданной высотности двигателя при относительно небольшом расходе топлива на максимальных режимах. Ограничитель G_T измеряет расход в магистрали дозированного топлива и перепускает его избыток на вход в основной топливный насос.

Топливный автомат запуска данного двигателя управляет подачей топлива путем изменения проходного сечения дозирующей иглы по оптимальному закону.

Вывод: cистемы управления расходом топлива различных типов ГТД
отличаются большим многообразием схем и особенностями реализации основных принципов регулирования.

При применении электрических систем осуществляется комплексное регулирование взаимосвязанных основного и форсажного контуров

На рис.1 представлена схема, поясняющая работу электрического регулятора типа РРД при стабилизации заданной частоты вращения ротора ГТД.

Рис. 1. Схема работы электрического регулятора типа РРД при стабилизации

заданной частоты вращения ротора ГТД

При перемещении РУД изменяется положение щетки потенциометра R1, которой задается частота вращения ротора ГТД. Действительное (текущее) значение частоты вращения n воспринимается трехфазным тахогенератором ТГ, напряжение которого выпрямляется и усиливается усилителем УЗ. Напряжение U_n, снимаемое с потенциометра R2 на выходе усилителя УЗ, пропорционально частоте вращения n авиадвигателя.

На входе усилителя У1 осуществляется сравнение заданного U_пз и текущего U_n значений напряжений, снимаемых с потенциометров R1 и R2. Разность напряжений ΔU_n усиливается усилителями У1 и У2. Усилитель У2 является генератором прямоугольных импульсов напряжения, длительность которых зависит от величины входного напряжения. Отношение длительности τ и импульса к периоду Т их повторения называется скважностью импульсов

Q=τ_и/T

где, T = τ_и + τ_паузы, и для рассматриваемой схемы линейно зависит от величины входного сигнала усилителя У2:

где, К₂ - коэффициент усиления усилителя У2.

Изменение величины скважности пропорционально приращению напряжения ΔU2

где К ₁ - коэффициент усиления усилителя У1.

С увеличением скважности Q_и импульсов напряжения, поступающих на обмотку электромагнитного клапана подачи топлива ЭМКТ, возрастает количество q подаваемого в двигатель топлива и соответственно частота вращения n турбокомпрессора. Следовательно, для получения нового значения частоты вращения n необходимо и соответственно новое значение скважности. Поскольку изменение скважности ΔQ_и пропорционально разности напряжений ΔU_n, или ΔQи=k*Δn, то для получения различных величия n_з необходимо наличие достаточно большой разности Δn=n_з-n, т.е, имеется значительная статическая ошибка.

С целью уменьшения погрешности в регуляторе применена положительная обратная связь по частоте вращения ротора авиадвигате­ля. Эта связь реализуется следующим образом: давление топлива в топливном коллекторе двигателя, пропорциональное частоте вращения ротора турбокомпрессора, измеряется индуктивным датчиком ИД напряжение с которого усиливается усилителем У4 и с потенциометра R3 напряжение коррекции Uк подается на обмотку обратной связи магнитного усилителя У1. В результате изменение скважности импульсов ΔQ_и определяется суммой:

ΔQ_и = K₂(K₁ΔU_n + K_1ocK₄K_Tn),

где, K ₁ и K _1oc - коэффициенты усиления усилителя У1 для напряжений соответственно ΔU_n и U_n = K ₄∙ PT = K ₄ K_T n

K ₄ - общий коэффициент усиления элементов ИД, У4, РЗ;

К_Т - коэффициент пропорциональности между частотой вращения n двигателя и давлением P_Т топлива. Поскольку

то

Выбирая величины коэффициентов из условия K₁ K₃=K_1oc K₄ K_T, по­лучим

т.е. статическая погрешность регулятора будет отсутствовать.

С целью обеспечения подачи топлива в соответствии с приемистостью двигателя в электрическом регуляторе режимов реализуется экспоненциальный закон изменения скважности импульсов при резком перемещении РУД. Напряжение U_рт (рис. 2), получаемое на выходе индуктивного датчика ИД давления Р_T топлива, после усиления в усилителе У4 подводится к дифференцирующей цепочке R1-C. С выхода последней напряжение сигнала гибкой отрицательной обратной связи по давлению Р_T топлива поступает на управляющую обмотку W1 усилителя У6. Усилители У1, У2 и ЭМКТ выполняют те же задачи, что и в схеме на рис. 1.

Рис. 2. Схема электрического регулятора режимов

К обмотке W2 усилителя У6 подводится напряжение , снимаемое со щетки потенциометра R. Положением этой щетки задается максимально допустимая скорость измерения подачи топлива (задается вручную или автоматически).

В усилителе У6 магнитные потоки обмоток W1 и W2 сравниваются друг с другом. Если , то напряжение на выходе усилителя У6, т.е. на обмотке W2 усилителя У2, отсутствует. В этом случае изменение подачи топлива в двигатель определяется скоростью изменения напряжения на входе усилителя У1, т.е. происходит в темпе перемещения РУД.

При быстром перемещении РУД . Тогда на обмотке W2 усилителя У2 появляется напряжение . Магнитный поток обмотки W2 усилителя У2 вычитается из потока обмотки W1. В результата уменьшается величина скважности Qи импульсов напряжения на обмотке клапана ЭМКТ и, следовательно, уменьшается подача топлива в двигатель.

Максимальное в начальный момент после перемещения РУД значение напряжения затем уменьшается по экспоненциальному закону.

В соответствии с этим законом возрастает величина скважности импульсов напряжения на обмотке ЭМКТ. При этом устанавливается скорость нарастания количества подаваемого в двигатель топлива, определяемая выражением

где - максимально допустимая скорость изменения подачи то­плива, определяемая из условий приемистости двигателя.

Она устанавливается путем подбора определенных величин сопротивле­ния резистора R1 и емкости конденсатора C;

- заданное значение приращения величина подачи топлива. Диод в схеме рис. 2 обеспечивает работу схемы ограничения скорости изменения подачи топлива только при движении РУД вперед.

Дата добавления: 2015-01-03