ОБЪЕКТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И ИХ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ на примере

ОБЪЕКТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И ИХ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ (на примере ГТД)

Рабочий процесс протекает в следующих преобразователях • камера сгорания, преобразует химическую энергию топлива в тепловую энергию газов; • пространство между компрессором и турбиной, в котором потенциальная энергия газа преобразуется в кинетическую энергию в сопловом аппарате турбины; • система турбокомпрессор (турбина– вентилятор), преобразует кинетическую энергию вращения в работу сжатия воздуха; • пространство между турбиной и выходным соплом, в котором потенциальная энергия газов преобразуется в кинетическую энергию в реактивном сопле; • воздухозаборник, преобразует энергию 2 набегающего потока в потенциальную.

Основные задачи, решаемых САУ ГТД: • – реализация выбранных программ управления с требуемой точностью и приемлемым качеством во всем диапазоне изменения условий полета ЛА; • – защита конструкции от механических и тепловых перегрузок; • – предотвращение неустойчивой работы элементов; • – обеспечение запуска двигателя в любых условиях эксплуатации, выхода их на заданный режим за минимальное время, и, возможности быстрого останова; • – коррекция динамических свойств отдельных звеньев по режимам работы или условиям полета для получения требуемого качества управления; • – обеспечение различных блокировок, а также отключение того или иного автомата при определенных условиях; • – переключение с основных систем управления на резервные в целях обеспечения безопасности полетов при 3 отказе.

Основные требования, предъявляемые к системам автоматического регулирования ГТД 1. Система автоматики должна обеспечить, возможность выбора и поддержание наиболее эффективного режима работы двигателя, т. е. возможность получения и поддержания необходимых по тактико-техническим требованиям тяги и экономичности при любых условиях полета 2. При любом режиме должна быть исключена возможность повреждения двигателя из-за превышения допустимых нагрузок на его детали, возникающих вследствие высоких скоростей вращения ротора, повышенных давлений жидкости и газа, неравномерного распределения температур 4

Основные требования, предъявляемые к системам автоматического регулирования ГТД 3. Система автоматики должна гарантировать надежность запуска двигателя и быстрый выход его на рабочий режим. 4. Система автоматики должна исключить неустойчивую работу агрегатов и всего двигателя в целом. 5. Система автоматики должна предусматривать максимально упрощенные функции по управлению. 5

Основные требования, предъявляемые к системам автоматического регулирования ГТД 6. Система автоматики должна обладать достаточной надежностью в эксплуатации и необходимым ресурсом, быть простой по конструкции, иметь малый вес и габариты. 6

7

Задание 1. Рассмотреть обобщенную схему двухконтурного газотурбинного двигателя с форсажными камерами (рис. 2. 1). 2. Из приведенной схемы получить схемы: - одноконтурный ТРД без форсажа; - одноконтурный ТРД с форсажем; - одноконтурный двухвальный ТРД; - турбовальный двигатель. 3. Обозначить на схемах: воздухозаборник, профилированный конус для создания системы косых скачков, КНД, ТНД, КВД, ТВД, камера сгорания основного и форсажного топлива, регулируемые реактивные сопла внутреннего и внешнего контуров, регулируемые управляющие аппараты компрессора и вентилятора, отверстие для регулирования перепуска воздуха из внутреннего контура во внешний. 8

Классификация параметров объектов регулирования • давление р, температура Т, удельный расход воздуха в характерных i-х сечениях двигателя; • степень повышения давления πi, обороты КВД и КНД пi, расход топлива GТ в основной и GФ в форсажных камерах; • коэффициенты полезного действия компрессора ηk и турбины ηТ; • величина развиваемой тяги P; • положение перемещаемого конуса воздухозаборника h; • углы установки лопаток (винта) φi; • площади выхлопных сопел и перепускных отверстий из внутреннего контура во внешний ; • напряжение в деталях двигателя и их температура и т. д. 9

Параметры подразделяют на три класса 1. параметры характеризующие различные внешние и внутренние возмущения (возмущающие воздействия); 2. параметры значения которых поддерживаются при изменении возмущающих воздействий (регулируемые параметры); 3. физические величины, с помощью которых оказывается воздействие на регулируемые параметры с целью поддержания их заданных значений при изменении возмущающих воздействий (регулирующие параметры или регулирующие факторы). 10

Возмущающие воздействия подразделяются на внешние и внутренние. Внешние возмущения обусловлены изменением высоты и скорости полета, турбулентностью атмосферы. Их с некоторым приближением можно свести к изменению параметров заторможенного потока воздуха на входе в компрессор и численно характеризовать величинами и . 11

Внутренние возмущения связаны с непреднамеренным отклонением геометрии газовоздушного тракта от номинальных размеров (например, при появлении нагара), коэффициента полноты сгорания топлива, характеристик магистралей системы топливоподачи и т. д. 12

Регулируемые параметры и регулирующие факторы характеризуют тяговую эффективность, экономичность двигателя и нагруженность его деталей такие параметры как число оборотов ротора двигателя n и температура газа перед турбиной. Выбор n в качестве регулируемого параметра удобен еще и тем, что его величина легко может быть замерена. Выбор связан с прочностными характеристиками и ресурсом рабочих лопаток турбин. 13

Двухвальный ТРД с неизменяемой геометрией газовоздушного тракта в качестве управляемой величины может выбираться частота вращения ТНД , частота вращения ТВД или температура газа перед турбиной. Единственным управляющим фактором такого ГТД является расход топлива. 14

Двухвальный ТРД с изменяемой площадью критического сечения сопла управляемые параметры рабочего процесса: – частота вращения КНД. – температура газа за турбиной , управляющие параметры: – площадь критического сечения сопла – и расход топлива. В двигателях с изменяемой геометрией, управляемой величиной может быть и степень понижения давления в турбине πТ ; 15

Двухвальные ТРД с форсажной камерой (ТРДФ) выполняются, как правило, с изменяемой площадью критического сечения сопла. Управляющими величинами таких двигателей являются расход топлива, подаваемого в основную и форсажную камеры ( и ), и площадь критического сечения сопла. В качестве управляемых величин могут выбираться: частота вращения одного из роторов, температура газа (за или перед турбиной) и температура в форсажной камере. 16

• изменением расхода топлива осуществляется управление оборотами одного из роторов; • изменением площади критического сечения сопла оказывается воздействие на температуру газа за (перед) турбиной или степень понижения давления на турбине; • изменением расхода топлива, подаваемого в форсажную камеру, управляется температура в форсажной камере. 17

основными регулируемыми в ТРД (в зависимости от их геометрии), являются число оборотов ротора n, температура газов перед турбиной , степень повышения давления на турбине , температура в форсажной камере . Регулирующим воздействием могут быть расход основного топлива , расход форсажного топлива , и площадь реактивного сопла F 18

Одновальный ТВД с одиночным винтом изменяемого шага за управляемые величины принимается частота вращения ротора и температура газа перед турбиной, которые характеризуют мощность, экономичность и напряженность его деталей. Управляющими факторами являются расход топлива и угол φ установки лопастей винта изменяемого шага. 19

Простейшие динамические модели ГТД Уравнение одновального ТРД с неизменной геометрией проточной части Установившийся режим работы 20

21

Уравнение динамики ГТД При отсутствии внешних возмущений уравнение динамики ГТД примет вид Коэффициент называется постоянной времени двигателя, коэффициенты , -коэффициенты усиления двигателя и возмущающего воздействия, соответственно. Численные значения коэффициентов определяют свойства ТРД как объекта регулирования. Коэффициенты, входящие в уравнение динамики двигателя, положительны. - имеет размерность времени, а -величина безразмерная. , 22

Уравнение ТРД с регулируемым соплом 23

Уравнение одновального ТВД 24

25

26