Процесс обеспечения стабильности параметров работы двигателя, путем дозирования подачи топлива в основную камеру сгорания, всегда являлся непростой задачей. Особую сложность представляют режимы запуска и переходные режимы работы двигателя (приемистость и дросселирование) с учетом внешних условий (влияние атмосферных условий и режимов полета летательного аппарата). Ввиду этого для регулирования двигателя применяются системы автоматического управления (САУ) ГТД.
САУ ГТД выполняет следующие основные функции:
1) автоматическое управление пуском двигателя с выходом на режим малого газа при всех заданных условиях эксплуатации;
2) быстрый и безопасный для двигателя переход на другие режимы работы при управлении двигателем или при резком изменении внешних условий;
3) поддержание заданного режима работы двигателя или его изменение в соответствии с программами управления;
4) исключение выхода двигателя на опасные режимы работы, на которых недопустимо снижаются запасы прочности деталей или же нарушается устойчивость процессов в компрессоре, камере сгорания, форсажной камере или входном устройстве. При этом регулируются следующие параметры, характеризующие режимы работы двигателя: частота вращения ротора турбокомпрессора, температура газов за камерой сгорания или турбиной, степень повышения давления в компрессоре, степень понижения давления в турбине, скольжение роторов (для многовальных двигателей) и др.
САУ ГТД могут быть классифицированы по таким признакам: по числу контуров управления (одно-, многоконтурные), по виду управляющего воздействия (непрерывные, дискретные), по виду используемой энергии (гидромеханические, пневматические, электрические и комбинированные). По способу объединения различных типов регуляторов. САУ ГТД могут быть:
- гидроэлектронные, в которых все основные функции регулирования производятся с помощью гидромеханических счётно-решающих устройств, и только для выполнения некоторых функций (ограничение температуры газа, частоты вращения ротора турбокомпрессора и др.) используются электронные регуляторы;
- супервизорные, в которых электронные регуляторы используются для коррекции в ограниченной области работы гидромеханических регуляторов, непосредственно воздействующих на исполнительные органы;
- электронно-гидравлические, в которых основные функции регулирования осуществляются с помощью электронных устройств (аналоговых или цифровых), а отдельные функции — с помощью гидромеханических и пневматических регуляторов;
- полностью электронные системы, в которых все функции регулирования выполняются средствами электронной техники, а исполнительные органы могут быть гидромеханическими или пневматическими.
Требуемые для полёта летательного аппарата значения тяги двигателя, надёжная и устойчивая работа силовой установки во всём диапазоне изменения условий эксплуатации обеспечиваются при соответствующем регулировании двигателя, которое осуществляется САУ. Она устанавливает и поддерживает определенные связи между параметрами двигателя (законы регулирования), что позволяет свести задачу управления режимами работы двигателя к изменению только одного параметра — угла установки рычага управления двигателем. Законы регулирования формируются с учётом требований к тяге и удельному расходу топлива, ограничений по прочности, необходимой точности поддержания параметров и других факторов.
Малоразмерные ГТД накладывают особые требования к САУ. Основным требование является ограничение по массогабаритным параметрам элементов. Гидромеханические САУ предъявляют высокие требования к точности изготовления его элементов (золотники, жиклеры, поршни и д.р.), ответственные детали выполняются с точностью по 4-му квалитету. Поэтому очень затруднительно изготавливать гидромеханические узлы малой размерности, что приведет к снижению точности регулирования и надежности всей системы в целом, при достаточно высоких затратах на производство таких изделий. Поэтому на двигателях с расходом воздуха меньше 0,5 кг/с полностью отсутствуют гидромеханические счетно-решающие устройства и реализованы электронно-гидравлические и полностью электронные схемы управления, так называемый принцип «электрического двигателя» [1].
Кроме этого, на малоразмерных двигателях затруднительно реализовывать привод от ротора к двигательным агрегатам, вследствие малой размерности деталей привода и высокой частоты вращения ротора малоразмерного ТРД. На таких двигателях энергия, для привода агрегатов и питания САУ, отбирается от ротора ТРД посредством электрогенератора, способного работать на высоких частотах вращения (на стадии запуска генератор выполняет функцию стартера) (рис 1.). На двигателях еще более меньшей размерности отбора энергии от ротора двигателя не производят, а питание САУ осуществляют от бортовой аккумуляторной батареи.
Уменьшение размеров проточной части, также требует уменьшение и средств измерения параметров двигателя – приемники полного и статического давления, щупы термопар. Поэтому в малоразмерных двигателях стараются уменьшить количество точек измерения для снижения влияния измерительных средств на газодинамику проточной части. Можно сделать вывод, что не целесообразно выполнять постоянный контроль полей температур и давлений в сечениях двигателя, требующий большего количество измерительных приспособлений. Положительным моментом малоразмерных двигателей в отличии от больших двигателей, является то, что относительная неравномерность параметров в сечениях двигателя гораздо меньше и изменяется более плавно, что требует меньшего числа точек измерения для контроля поля величин.
Рис.1 Типовая схема управления малоразмерным двигателем
Практически все малоразмерные двигатели выполнены по одновальной, одноконтурной схеме с одноступенчатым центробежным компрессором и одноступенчатой центростремительной или осевой газовой турбиной и реактивным сужающимся соплом или свободной турбиной для получения механической мощности. (Исключение составляет двигатель ТРДД-50 ОМКБ (главный конструктор Пащенко Виктор Степанович) и ОКБ «Новатор» (главный конструктор Лев Люльев) выполненный по двухконтурной двухвальной схеме с редуцированным приводом для вентилятора и электрогенератора. Двигатель имеет электронно-гидравлическую систему управления.)
Примером полностью электронной САУ может служить САУ для авиамодельных ТРД. Рассмотрим конструкцию типовой САУ модельного ТРД. На рисунке 2 изображен комплект системы автоматического управления и запуска малоразмерного ТРД разработанного в Испании (Гаспар Эспель (Gaspar Espiell)). На рисунке изображены: 1 – блок управления ТРД; 2- терминал для введения настроек в блок управления и для визуализации измеряемых параметров для тестовых запусков. Постоянное присутствие этого элемента не требуется; 3- бесконтактный датчик частоты вращения на основе датчика Холла; 4 – щуп термопары, термопара типа «К»; 5 – набор проводов для подключения топливного насоса, стартера, свечи накаливания, клапанов для газа и топлива и аккумуляторной батареи. Также блок управления имеет интерфейс RS-232 для соединения с компьютером для настройки параметров управления и контроля, а так же для просмотра и записи измеряемых параметров в реальном времени.
Рис.2 - Комплект САУ
САУ проводит измерение следующих параметров:
- Температура газа за турбиной в одной точке, до 1000 С;
- Напряжение аккумуляторной батареи;
- Ток аккумуляторной батареи;
- Ширину импульса сигнала от РУД (сигнал о положении руда передается через PPM-сигнал (PPM - Pulse-position modulation));
- Частота вращения ротора ТРД, до 250000 об/мин;
- Время работы двигателя;
- Время выбега ротора.
Настраиваемые параметры:
- Предельная температура газа за турбиной (Т4);
- Минимальная температура газа;
- Предельная частота вращения;
- Частота вращения малого газа;
- Частота вращения, при которой происходит прекращение подачи топлива и останов двигателя, т.к. на слишком низкой частоте вращения будет происходить повышение температуры газа;
- Задержка приемистости, время рассчитывается в зависимости от мгновенной температуры, мгновенной частоты вращения ротора, положения РУД и тенденций изменения температуры и частоты вращения;
- Задержка сброса оборотов, время рассчитывается аналогично времени приемистости ;
- Параметр слежение за частотой вращения при неизменном положении РУД.
При превышении предельных параметров САУ прекращает подачу топлива в камеру сгорания [2].
В ходе длительной эксплуатации ТРД с такой САУ в некоторых случаях было недостаточно одной точки измерения температуры газа за турбиной и термопара, установленная в «холодной» зоне, в области форсунки с низкой производительностью (засорившаяся форсунка), давала неверные значения температуры газа, что приводило к обгоранию периферийных кромок лопаток рабочего колеса. Можно заметить, что контроль одноконтурного одновального двигателя с достаточной величиной надежности можно осуществлять по двум параметра: частота вращения и температура газа за турбиной с измерением в нескольких точках, без поправок на температуру окружающего воздуха и атмосферное давление.
Можно с уверенностью сказать, что дальнейшие развитие САУ будет идти по пути усложнения обработки информации с первичных датчиков, путем использование модели двигателя, чему способствует рос вычислительных возможностей микроконтроллеров.
- Литература:
1. Шевяков А.А. Автоматическое регулирование двигателей летательных аппаратов // Труды ЦИАМ № 895. – 1980
2. Xicoy Electrónica – Electronic data – Spain, cop. 2011. – Mode access: http://www.xicoy.com/catalog/product_info.php?products_id=218
