книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 5 Автоматика и регулирование авиационных двигателей и энергетических установок

Газотурбинные двигатели (ГТД) за шестьдесят лет своего развития стали основным типом дви­ гателей в современной авиации. На основе авиа­ ционных ГТД созданы двигатели для наземной

иморской техники: мобильных электростанций, га­ зокомпрессорных станций, наземных и мор­ ских транспортных средств. Газотурбинные дви­ гатели - классический пример сложнейшего ус­ тройства, детали которого работают длительное время в условиях предельно высоких температур

инагрузок. Вместе с тем, эти двигатели - образец высочайшей надежности, которая обеспечивает­ ся эффективными конструкторскими решения­ ми, сложными газодинамическими, тепловыми

ипрочностными расчетами. В этой связи изу­ чение газотурбинных двигателей, как одного из наиболее совершенных достижений инженерной мысли, выходит за рамки утилитарной задачи подготовки инженеров-двигателистов.

Настоящая серия книг, объединённых об­ щим названием «Газотурбинные двигатели», посвящена начальному этапу процесса их созда­ ния - проектированию и основной составляю­ щей этого процесса - разработке конструкции. Серия включает в себя три учебника для сту­ дентов вузов, обучающихся по специальнос­ ти «Авиационные двигатели и энергетические установки»: «Основы конструирования авиаци­ онных двигателей и энергетических установок», «Динамика и прочность авиационных двигателей

иэнергетических установок», «Автоматика и ре­ гулирование авиационных двигателей и энерге­ тических установок». Ставилась цель дать комп­ лекс знаний для самостоятельной творческой работы в области проектирования ГТД с учетом

того, что студенты изучили дисциплины общеин­ женерного цикла, знакомы с газовой динамикой и теорией авиационных двигателей.

Объем серии получился большим. Стремление наиболее полно и подробно изложить материал связано с тем, что книги предназначены не толь­ ко для изучения соответствующих дисциплин, но и для использования в курсовом и дипломном проектировании.

При изложении материала авторы в известной степени опираются на богатую практику одной из ведущих мировых школ авиационного двигателестроения - Пермского ОАО «Авиадвигатель». Многие из приведенных выполненных конструк­ ций - элементы двигателей, разработанных этим коллективом.

В подготовке издания принимали участие специалисты опытного конструкторского бюро ОАО «Авиадвигатель». Работа такого большого коллектива специалистов была бы невозможна без организационной поддержки Н.Л. Кокша­ рова. Общее оформление книг выполнено И.М .Соколовой с участием В.К.Ощепкова, Л.М. Кислухиной, О.Е.Пековой, Ю.А.Никулина, И.Ю. Вагановой. Особая благодарность Alexia Attali из Communication Division Snecma Moteurs, приславшей материалы по двигателю М88; Cynthia Dumal из Honeywell product informa­ tion за иллюстрации двигателей Honeywell и M argaret Fletcher Jet Engine Adm inistrator Rolls-Royce pic за любезное разрешение использовать иллюстрации из книги Rolls-Royce pic «The Jet Engine», а также коллегам из ГУНПП «Завод им. ВЛ.Климова» за иллюстрации двига­ телей ТВЗ-117 и 2500.

For sixty years of its development gas turbine engine (GTE) has become the main type of engines in modem aviation. On GTE basis engines for ground and marine equipment have been developed, for example for mobile power plants, gas-compressor stations, ground and marine transport vehicles. Gas turbine engines are the classical example of a sophisticated system with components operating at extremely high temperatures and limit loads during a long period of time. At the same time these engines are the example of the highest reliability, which is assured by efficient design solutions and complicated gas dynamics, temperature and durability calculations. Therefore studying of gas turbine engines as one of the most accomplished achievements of engineering is beyond the scope of utilitarian aim of teaching and preparing engineers and engine designers.

This series of publications under the common title «Gas Turbine Engines» is dedicated to the primary stage of their development - engineering and designing in particular as it is the main part of this process. The series consists of three textbooks for students of higher educational establishments studying at faculty of «Aero-engines and Power Generation Gas Turbines». The textbooks are the following: «Principles of Aero-engines and Power Generation Gas Turbines Designing», «Dynamics and Durability ofAero-engines and Power Generation Gas Turbines», «Automatics and Control of Aero-engines and Power Generation Gas Turbines». The aim was to give a complex of knowledge for independent creative work in GTE designing. The readers are supposed to have learned general engineering disciplines and to know gas dynamics and theory of aero-engines.

The attem pt to cover im m ense am ount o f information resulted in a large volume of the series.

The authors justify it by inevitable redundancy of such publications. The desire to present inform ation in a full and detailed way is explained by the fact that these books are intended not only for studying of related disciplines by students but also for designing during writing of course and diploma works. The authors hope that the publication will be also helpful for post-graduate students and specialists working at development, manufacturing and operation of gas turbine engines.

In their work the authors based upon rich practice of one of the leading world aero-engine building school of Perm Aviadvigatel OJSC. Many of the presented designs are the components of engines, developed by the Company.

During preparation o f this publication huge amount of Aviadvigatel design bureau specialists took part. Their names are listed at Prefaces to all of these books. The work of so many specialists

was executed by I.M. Sokolova with the help of V.K. Oschepkov, L.M. K isluhina, O.E. Pekova, Yu.A. Nikulin, I.Yu. Vaganova. Special gratitude is to Alexia Attali from Communication Divisions Snecma Moteurs, who sent information about M88 engine; Cynthia Durnal from Honeywell product information for illustrations o f Honeywell engines

book of Rolls-Royce pic «The Jet Engine». The authors also thank the colleagues from the State Unitary Scientific & Production Enterprise «Plant named in honour of V.Ya. Klimov» for illustrations of TV3-117 and 2500 engines.

Книга «Автоматика и регулирование авиаци­ онных двигателей и энергетических установок» представляет собой пятую часть серии «Газотур­ бинные двигатели».

Содержание учебника охватывает часть дисцип­ лины «Автоматика и регулирование авиационных двигателей и энергетических установок», предус­ мотренной государственным образовательным стандартом. Вопросы автоматики и регулирования газотурбинных двигателей рассмотрены в контек­ сте описания связанных с этим систем. Изложение ведется с точки зрения «двигателиста», большей частью «не заглядывая» внутрь агрегатов, представ­ ляя их как «черные ящики».

Вглаве 1 рассматриваются назначение, состав, работа, выбор системы автоматического управле­ ния и контроля, а также её элементов. Рассмотре­ на бортовая система контроля и диагностики авиа­ ционного ГТД. В отдельном разделе представлены системы автоматического управления и контроля наземных ГТД.

Вглаве 2 приведены назначение, состав, основ­ ные характеристики, работа, выбор элементов си­ стемы топливопитания ГТД. В отдельном разделе рассмотрена система топливопитания наземных ГТД. Материалы глав 1 и 2 подготовлены под об­ щим руководством к.т.н. Ю.А. Трубникова. Глава 1 - О.Р. Акмаловым (1.1 - 1.5), Т.И. Давыдовой (1.6), Ю.И. Тимкиным и А.И. Полуляхом (1.2). Глава 2 - О.Р.Акмаловым (2.1) и Ю.И. Тимкиным (2.2) с учас­ тием к.т.н В.М. Полушкина (1.6; 1.7).В оформле­ нии материалов принимали участие А.В. Карпова

иД.А. Лызлов.

Глава 3 посвящена системам диагностирова­ ния ГТД, их структуре, видам, задачам, регламен­ ту. Отдельно представлены системы диагности­ рования механизации ГТД, САУ, топливопитания, смазки и суфлирования. Описаны системы диаг­ ностирования по параметрам вибрации, по газо­ динамическим параметрам, инструментальными методами. Заключительный раздел посвящён осо­ бенностям диагностирования ГТД наземного при­ менения. Глава 3 подготовлена В.Ф. Халиуллиным с участием к.т.н. А.Л. Полянина (3.1; 3.5), к.т.н. С.Ф. Минацевича (3.1; 3.6), к.т.н. ВЛ . Ступникова (3.2), В.Н. Надежкина (3.3), В.П. Макарова (3.3),

A.И. Горбунова (3.3), Ф.И. Мухутдинова (3.4). В под­ готовке материалов и оформлении принимали уча­ стие А.В. Торопов, А.Н. Субботин, Д.Х. Хайрул­ лина.

Глава 4 содержит материалы по назначению, составу пусковой системы ГТД. Описан процесс запуска и его характеристики. Отдельные подраз­ делы посвящены выбору стартёра, системе зажи­ гания, особенностям запуска двигателей двухро­ торных схем, а также особенностям пусковой системы наземных ГТД. Материалы подготовлены под руководством к.т.н. Ю.А. Трубникова В.Г. Ип­ политовым с участием в оформлении А.В. Карпо­ вой.

Глава 5 рассматривает воздушные системы (ВС), называемые также системой вторичных воз­ душных потоков. Приведены функции ВС, требо­ вания к ним. Описана работа таких локальных ВС, как ВС охлаждения турбин, наддува и охлаждения опор, противообледенительная система, кондици­ онирования, активного управления зазорами, внешнего охлаждения и обогрева. Отдельные раз­ делы посвящены подготовке воздуха для ВС и осо­ бенностям ВС наземных ГТУ. Раздел подготовлен

B.О. Рубиновым.

Вглаве 6 рассматриваются схемы систем смаз­ ки и суфлирования ГТД, а также авиационных ре­ дукторов и редукторов наземных ГТУ. В отдель­ ной главе описаны агрегаты маслоситем, примеры их конструкций и схемы работы. Материал подго­ товлен Н.П. Трушниковым, Р.К. Хисматулиной

иЛ.А. Сацким. В подготовке и оформлении мате­ риалов принимали участие В.Е. Хромин, Р.З. Ха­ санов и Я.Ю. Сажина.

Глава 7 посвящена системам гидравлического привода ГТД и, в частности, привода реверсивных устройств. Материал подготовлен Н.П. Трушнико­ вым, Р.К. Хисматулиной и Л.А. Сацким с участи­ ем в оформлении Д.Н. Внутских, А.В. Ермаковой

иН.А. Пичужкина.

Вглаве 8 рассматриваются дренажные систе­ мы, их основные схемы, принцип действия, про­ блемы обеспечения работоспособности. Показаны также особенности конструкции одного из основ­ ных элементов системы - дренажного бака. Мате­ риал подготовлен к.т.н. В.М. Полушкиным.

The book describes the first step of gas turbine engine makinggas turbine engine design, and contains the information on engine and its modules configurations and structure; systems, maintaining its operation; gas dynamics, thermal and durability analysis as a part of the design process and its automation as well.

First of all the book is intended to be used by students as an educational supply for the course «Gas Turbine Engines», though it would be also useful for young specialists of experimental design bureaus.

The book was prepared with the assistance of many «Aviadvigatel» ОJSC experimental design bureau specialists. Due to the practical support of N.L. Koksharov the co-work of such a huge team becam e possible. Special thanks to: A lexia Attali (Communication Divisions Snecma Moteurs)

for the MSB-engine documents; Cynthia Durnal (Honeywell Product Information) for the Honeywell engines illustrations; Margaret Fletcher (Jet Engine Administrator, Rolls-Royce pic) for being so kind to permit the authors to use the illustrations from the brilliant Rolls-Royce pic book «The Jet Engine»; our colleagues from the «Plant named after V. J. Klimov» Federal Unitary Scientific Production Enterprise for the TV3-117 and 2500 engines illustrations. The overall design of the book is performed by I.M. Sokolova.

The book is the property o f the Aviadvigatel Joint Stock Company. Any form of rreprinting of any part of the book, by any means, either electronic or mechanical, including photographyng and tape recording, for any purpose is forbidded without Aviadvigatel’s expressed written permission.

В настоящем разделе рассмотрены системы авто­ матического управления и контроля авиационных ГТД и особенности этих систем для газотурбин­ ных установок промышленного применения.

1.1.Системы автоматического управления

иконтроля авиационных ГТД

Системы автоматического управления и конт­ роля (САУ) авиационных ГТД рассмотрены на при­ мерах современных ТРДД и ТРДДФ.

1.1.1. Назначение САУ

САУ предназначены для:

-управления запуском двигателя и его выклю­ чения;

-управления режимом работы двигателя;

-обеспечения устойчивой работы компрессора

иКС двигателя на установившихся и переходных режимах;

-предотвращения превышения параметров дви­ гателя выше предельно допустимых;

-управления запуском и работой форсажной ка­ меры (ФК) (для ТРДФ, ТРДДФ);

-обеспечения информационного обмена с сис­ темами самолета;

-интегрированного управления двигателем в со­ ставе силовой установки самолета по командам из самолетной системы управления;

-обеспечения контроля исправности элементов САУ;

-оперативного контроля и диагностирования состояния двигателя (при объединенной САУ и си­ стемы контроля);

-подготовки и выдачи в систему регистрации информации о состоянии двигателя [1.1].

Примеры состава агрегатов систем автоматичес­ кого управления и контроля ТРДД и ТРДДФ при­ ведены на рис. 1.1 ирис. 1.2.

Обеспечение управления запуском двигате­ ля и его выключением

На запуске САУ выполняет следующие функ­ ции:

- управляет подачей топлива в КС, направляю­ щим аппаратом (НА), перепусками воздуха и пло­ щадью критического сечения сопла (если сопло регулируемое) в соответствии с программами управ­ ления ;

-управляет пусковым устройством и агрегата­ ми зажигания;

-защищает двигатель при помпаже, срывах в ком­ прессоре и от перегрева турбины;

-защищает пусковое устройство от превыше­ ния предельной частоты вращения.

САУ обеспечивает выключение двигателя с лю­ бого режима работы по команде пилота или авто­ матически при достижении предельных парамет­ ров, кратковременное прекращение подачи топлива

восновную КС при потере газодинамической ус­

тойчивости (ГДУ) компрессора.

Управление режимом работы двигателя Управление производится по командам пилота

в соответствии с заложенными в САУ программами управления. Управляющими воздействиями явля­ ются расходы топлива в КС и ФК. При управле­ нии поддерживается заданный параметр регули­ рования с учетом параметров воздуха на входе в двигатель и внутридвигательных параметров. В многосвязных системах управления также может управляться геометрия проточной части для реали­ зации оптимального и (или) адаптивного управле­ ния с целью обеспечения максимальной эффектив­ ности комплекса «СУ - летательный аппарат».

Обеспечение устойчивой работы компрессо­ ра, КС (и ФК) двигателя на установившихся и переходных режимах

Для устойчивой работы компрессора и КС (ФК) осуществляется автоматическое программ­ ное управление подачей топлива в камеры сгора­ ния на переходных режимах, управление клапана­ ми перепуска воздуха из компрессора и (или) за компрессором, управление поворотными лопатка­ ми ВНА и НА компрессора и площадью критичес­ кого сечения регулируемого сопла. Управление обеспечивает протекание линии рабочих режимов с достаточным запасом от границы ГДУ компрес­ сора (вентилятора, подпорных ступеней, КНД и КВД). Для предотвращения превышения парамет­ ров при потере ГДУ компрессора применяется противопомпажная и противосрывная системы. Для предотвращения недопустимых нагрузок на элемен­ ты КС при вибрационном горении применяется си­ стема защиты двигателя от виброгорения.

Предотвращение превышения параметров двигателя выше предельно допустимых

Под предельно допустимыми понимаются мак­ симально возможные параметры двигателя, ограни­ ченные по условиям выполнения дроссельных и вы­ сотно-скоростных характеристик. Длительная

Глава L Системы автоматического управления и контроля

ным устройством СУ. По сигналу от САУ ВЗ вы­ даются команды на установление элементов ме­ ханизации двигателя в положение повышения за­ пасов ГДУ компрессора. Для предотвращения срывов в управляемом ВЗ при изменении режима полета режим двигателя соответственно корректи­ руется или фиксируется.

Контроль исправности элементов САУ В электронной части САУ двигателя автомати­

чески контролируется исправность элементов САУ. При отказе элементов САУ информация о неисп­ равностях выдается в систему контроля СУ само­ лета. Выполняется реконфигурация программ уп­ равления и структуры электронной части САУ для сохранения ее работоспособности.

Оперативный контроль и диагностирование состояния двигателя

САУ, интегрированная с системой контроля, выполняет дополнительно следующие функции:

-прием сигналов отдатчиков и сигнализаторов двигателя и самолета, их фильтрацию, обработку

ивыдачу в бортовые системы индикации (КПСС), регистрации (МСРП) и другие системы самолета, преобразование аналоговых и дискретных пара­ метров;

-допусковый контроль измеренных параметров;

-контроль параметра тяги двигателя на взлет­ ном режиме;

-контроль работы механизации компрессора;

-контроль положения элементов реверсивного устройства на прямой и обратной тяге;

-расчет и хранение информации о наработке двигателя;

-контроль часового расхода и уровня масла при заправке;

-контроль времени запуска двигателя и выбега роторов КНД и КВД при останове;

-контроль систем отбора воздуха и системы ох­ лаждения турбины;

-виброконтроль узлов двигателя;

-анализ тенденций изменения основных пара­ метров двигателя на установившихся режимах.

1.1.2. Состав САУ

В состав САУ ТРДД входят следующие агрега­ ты и датчики:

-основной регулятор;

-датчики электронной части;

-блок коммутации;

-автономный генератор;

-резервный регулятор (если предусмотрено ре­ зервное управление отдельным регулятором);

-агрегат управления механизацией двигателя;

-агрегат защиты от достижения предельных па­ раметров двигателя;

-датчики резервного регулятора;

-исполнительные механизмы.

В состав САУ ТРДЦФ входят дополнительно:

-форсажный регулятор;

-агрегат управления соплом.

Возможные варианты принципиальных схем САУ ТРДД и ТРДЦФ приведен на рис. 1.3 и 1.4 со­ ответственно.

Состав САУ определяется принятым конструк­ тивным решением. К составу САУ традиционно относят и агрегаты топливной системы [1.4].

Основной регулятор

Электронный регулятор двигателя (РЭД) пред­ ставляет собой специализированную электронную цифровую вычислительную машину, работающую в реальном масштабе времени. РЭД оснащен уст­ ройствами сопряжения с датчиками и исполнитель­ ными механизмами электронной системы управ­ ления и устройствами связи с двигательными и самолетными системами по мультиплексным ка­ налам информационного обмена (МКИО), см. рис. 1.5. РЭД предназначен для выполнения логи­ ческих, управляющих и контролирующих про­ грамм, обеспечивающих управление двигателем на всех режимах его работы во всех условиях эксплу­ атации. Он интегрирован с бортовым управляющим комплексом, а также выдает информационные сиг­ налы в многоканальную систему регистрации па­ раметров (МСРП) и комплексную систему элект­ ронной индикации и сигнализации (КСЭИС).

Основной регулятор может быть гидро (пнев­ момеханическим устройством, если в рассматри­ ваемом конкретном случае его применение более рационально, чем применение электронного регу­ лятора.

Форсажный регулятор и агрегат управления соплом

Форсажный регулятор предназначен для управ­ ления подачей топлива в ФК при ее включении и на форсажных режимах. Агрегат управления соплом предназначен для управления соплом в соответ­ ствии с заданными программами.

Указанные агрегаты, как правило, объединяют. Агрегаты могут быть гидромеханическими или электронными. В последнем варианте форсажный регулятор и агрегат управления соплом объединя­ ют с основным регулятором, а исполнительную часть (преобразователи, гидро(пневмо)усилители) объединяют с резервным гидромеханическим ре­ гулятором. На рис. 1.6 приведен форсажный гид­ ромеханический регулятор, а на рис. 1 .7 - гидро­ механический агрегат управления соплом.

Датчики электронной части

Работу электронно-гидромеханической системы управления обеспечивают автономные датчики:

- частоты вращения ротора КВД