ОТВЕТЫ НА ЭКЗАМЕН ПО САУ 5 КУРС. 1. Функциональная схема пилотажного комплекса ла
 Скачать 6.73 Mb.
|
|
21. Анализ качества переходных процессов в САУ частоты вращения. Синтез САУ частоты вращения ? Для управления режимами работы основного контура ГТД широко используются замкнутые САУ частотой вращения с применением всережимных регуляторов с астатизмом 1-го порядка. Такие регуляторы позволяют получить достаточно высокое качество переходных процессов во всем диапазоне условий эксплуатации. Структурная схема САУ частотой вращения приведена на рис. 5.7.  Рис. 5.7. Структурная схема САУ частотой вращения ГТД Для ТРД одновальной схемы передаточные функции двигателя и регулятора выражаются так:  ;  , (5.10)где  ,  – коэффициенты усиления двигателя и регулятора;  ,  ,  – постоянные времени двигателя и регулятора.Передаточная функция замкнутой системы по управляющему воздействию  . (5.11)Условие устойчивости Рауса–Гурвица для данной САУ имеет вид  (5.12)откуда  . (5.13)Влияние второго замкнутого контура регулирования того же двигателя, например контура управления механизацией компрессора, на устойчивость контура регулирования частоты вращения можно проследить на примере ТРД с регулируемыми направляющими аппаратами компрессора при выбранном законе  (рис. 5.8). Рис. 5.8. Структурная схема регулирования ТРД с замкнутыми контурами по  и  Уравнение ТРД при наличии двух регулирующих органов, изменяющих расход топлива в камеру сгорания и положение направляющих аппаратов, имеет вид  . (5.14)Передаточную функцию для регулятора направляющего аппарата примем в виде  , (5.15)где  ,  – коэффициент усиления и постоянная времени регулятора направляющего аппарата.Характеристическое уравнение для рассматриваемой САУ определяется соотношением  ,откуда, раскрывая скобки и приводя подобные члены, получим  (5.16)В соответствии с критерием Рауса–Гурвица должно выполняться условие  (5.17)Зная численные значения параметров системы, можно построить области устойчивости, например, в координатах  ,  и оценить влияние контура регулирования  на устойчивость всей системы. В общем случае при увеличении коэффициента область устойчивости системы уменьшается.Для двигателей многовальных схем регулировать частоту вращения можно по каскадам высокого и низкого давлений. При этом динамика по контуру регулирования  остается практически такой же, как и для двигателя одновальной схемы. Объясняется это тем, что динамические свойства двигателей многовальных схем относительно частоты вращения каскада высокого давления описываются передаточной функцией, как для ТРД одновальной схемы.Передаточная функция двигателя по каналу  имеет вид (5.18)Если в канале регулирования использовать изодромный регулятор, то характеристическое уравнение замкнутой системы имеет четвертый порядок. В общем случае область устойчивости системы с регулятором несколько меньше, чем с регулятором .Большое распространение получила схема регулирования частот вращения, изображенная на рис. 5.9.  Рис. 5.9. Схема регулирования частот вращения двухвального двухконтурного ГТД На рис. 5.9 обозначено:  ,  – регуляторы частот вращения роторов высокого и низкого давлений соответственно;  – регулятор  ;  – регулятор соотношения частот вращения роторов (скольжения); ГМР – гидромеханический регулятор, в частности, имеющий передаточную фукнцию изодромного звена  ; ФУ – функциональное устройство.Регуляторы основного контура выполняют функции дозирования топлива в основную камеру сгорания. Регулятор частоты вращения ротора высокого давления является всережимным, тогда как регулятор частоты вращения ротора низкого давления является ограничителем предельного значения. Взаимодействие регуляторов осуществляется через селектор, на вход которого могут быть подключены регуляторы (ограничители) других параметров ГТД (  ,  и т.д.).Регулятор соотношения частот вращения воздействует на настройку регулятора  , изменяя площадь реактивного сопла. В функциональном устройстве (ФУ) формируется требуемое соотношение между и , обеспечивающее высокую экономичность работы двигателя.22. Особенности измерения температуры газа ГТД. Распределение температуры, как перед турбиной, так и за турбиной неравномерно как по радиусу, так и по окружности. Величина неравномерности поля температур составляет 100…200 градусов. Неравномерность поля температур объясняется многими причинами: неравномерной подачей топлива через форсунки, неравномерным полем скоростей воздуха, выходящего из компрессора, отклонением отнормального процесса горения. Величина неравномерности изменяется в зависимости от режима работыдвигателя. Отмечается также нерегулярность поля температур газа, т.е. в одной и той же точкеизмерения при неизменном режиме работы двигателя температура газа во времени изменяется по произвольному закону. Это объясняется непостоянной подачей топлива в двигатель и большой турбулентностью потока воздуха. Таким образом, измерить истинную температуру газа в двигателе очень трудно и осуществить это можно лишь приближенно. Поэтому обычно вместо локальной измеряют среднемассовую, осредненную температуру. Для измерения температуры могут использоваться как прямые, так и косвенные методы измерения температуры. Прямые методы измерения предусматривают датчики температуры, в качестве которых обычно используются термопары. Проблемы проектирования таких датчиков связаны с выбором жаропрочных материалов и снижением размеров для уменьшения постоянной времени. Косвенные методы измерения температуры газа еще называют методом синтеза температуры. Синтез температуры заключается в измерении различных параметров ГТД, например, частоты вращения ротора n и ее производной  и в определении на основе этих данных температуры газа с помощью быстродействующих вычислительных устройств. Этомуметоду характерны погрешности реализации модели ГТД по температуре газа.В связи с определенными трудностями измерения температуры газа перед турбиной  , обусловленными ее высоким значением, сравнительно большой неравномерностью, а также возможностью повреждения лопаток в случае разрушения термопар, обычно используется измерение температуры газа за турбиной  . Температура  легче измеряется вследствие более высокой скорости газа, обуславливающей большее значение коэффициента теплоотдачи от газа к спаю, меньшей неравномерности и более низкого (на 200…300 градусов) её значения.Однако температура  однозначно определяет температуру и, следовательно, тепловое состояние узла турбины только при постоянных значениях степени понижения давления газа на турбине  и ее КПД  , при заданной частоте вращения ротора n.Рис. 2.1. Датчик температуры газа Из известных измерителей температуры для измерения температуры газа ГТД наиболее широко применяются термопары (рис. 2.1). Они имеют меньшую по сравнению с другими измерителями постоянную времени и позволяют легко суммировать сигнал от нескольких измерителей. Для приближения измерения температуры к среднемассовой с погрешностью не более +2 градуса обычно устанавливают от 16 до 24и более экранированных термопар. Экранирование термопар уменьшает разность между измеренной температурой и истинной температурой полного торможения, но вместе с тем ухудшает динамические свойства термопар, т.е. увеличивает их постоянную времени. Для обычных экранированных термопар с протоком газа, устанавливаемых на ГТД, постоянная времени в стендовых условиях находится в пределах 0,5…8 с. С изменением режима работы и условий полета постоянная времени термопар находится в соответствии с изменением расхода газа  , обтекающего чувствительный элемент.Передаточная функция термопары:  ,(2.2) где  ; (0 – расчетное значение).Для компенсации динамической погрешности термопары в цепь измерения после термопары необходимо ввести последовательное корректирующее устройство с тем, чтобы на выходеиз него сигнал содержал составляющие, пропорциональные изменению ЭДС термопары и ее производной (рис. 2.2). Передаточная функция корректирующего устройства  , (2.3)где ;  ;  .Передаточная функция всей цепи:  , (2.4)где  – передаточная функция усилителя.Параметры корректирующего устройства выбирают таким образом, чтобы  . При этом компенсация динамической погрешности термопары, близкая к оптимальной, получается только на таких режимах работы двигателя, когда  . На других режимах будет или недокомпенсация  или перекомпенсация  (рис. 2.2, б).23. Основные принципы построения САУ температуры газа ГТД. В качестве управляющих факторов, с помощью которых оказывается воздействие на температуру газа в ГТД, выбирается расход топлива в основную камеру сгорания Gт или площадь критического сечения сопла Fс, или при неизменном Fс = const – расход топлива в форсажную камеру сгорания Gтф. При выборе управляющих факторов необходимо учитывать, что САУ температурой газа работает одновременно с САУ частотой вращения. При выборе управляющих факторов и их распределении в многомерных системах, которыми являются САУ ГТД, должны учитываться качество процессов управления, возможный диапазон изменения режимов и возможная реализация заданных программ управления. Сильное влияние на температуру газа оказывает расход топлива в основной камере сгорания. Тогда частота вращения должна была бы регулироваться путем изменения площади сечения реактивного сопла  . Но при управлении частотой вращения n за счет изменения не обеспечивается необходимая глубина дросселирования (диапазон изменения n). Поэтому наиболее приемлемым вариантом построения САУ является вариант, когда на частоту вращения действует изменение расхода топлива, а на температуру газа – изменение площади реактивного сопла. При этом необходимо учитывать также перекрестные связи, возникающие в этих каналах управления, когда расход топлива оказывает влияние еще и на температуру газов, а площадь реактивного сопла – на частоту вращения. Из этого следует вывод, что канал по частоте вращения оказывает сильное влияние на канал по температуре газов, что может привести к колебательным процессам по температуре.Варианты включения регуляторов температуры газов в САУ ГТД:
Первый способ, как правило, не обеспечивает высокого качества управления из-за низкого быстродействия, т.к. величина коэффициента усиления регулятора температуры получается небольшой по соображениям устойчивости. Второй способ также не обеспечивает быстродействия из-за инерционности сервомотора, управляющего положением створок реактивного сопла. В интегральных САУ ГТД чаще всего используется третий способ. Структурная схема САУ температурой газа ГТД с воздействием на расход топлива  в основную камеру сгорания представлена на рис. 2.3, где ГТД – газотурбинный двигатель (объект управления), ДТ – датчик температуры (термопара), КУ – корректирующее устройство, РТ – регулятор температуры,  – заданное значение температуры; F – возмущение по расходу топлива. Рис. 2.3. Структурная схема САУ температурой газа ГТД Основными требованиями к характеристикам САУ температурой газа ГТД являются следующие:
24. САУ компрессоров ГТД. Компрессор газотурбинного двигателя узел газотурбинного двигателя, служащий для повышения давления воздуха. Масса К. составляет от 25 (турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой) до 40% (турбореактивного двигателя) массы газотурбинного двигателя. Степень повышения давления в К.((π)к*) по мере совершенствования газотурбинного двигателя возрастает: в первых турбореактивных двигателях (π)к* была равна 4—5, в турбореактивных двухконтурных двигателях и турбовинтовых двигателях 80-х гг. она достигает 30—40. Для реализации термодинамического цикла с постоянным давлением в камере сгорания в авиационном газотурбинном двигателе используются только лопаточные К. (см. Лопаточные машины). Повышение давления в К. происходит в результате преобразования механической энергии, подводимой к валу К. от турбины, в потенциальную энергию воздуха. Во всех типах лопаточных К. передача механической энергии привода воздуху в соответствии с Эйлера формулой реализуется в роторе путём воздействия на поток аэродинамических сил, возникающих при обтекании лопаток рабочих колёс; при этом увеличивается и кинетическая и потенциальная энергия воздуха. В неподвижных элементах К. — направляющих аппаратах компрессора или диффузорах — часть кинетической энергии преобразуется в потенциальную. К. газотурбинного двигателя состоит, как правило, из несколько последовательно расположенных ступеней (см. Ступень компрессора, турбины); по форме средней поверхности тока в них различают осевые (ОК), центробежные (ЦК), диагональные (ДК) и комбинированные, состоящие из ступеней разных типов (осецентробежные — ОЦК, оседиагональные). Форма поверхности тока определяет особенности преобразования энергии в рабочем колесе: в ОК работа сжатия примерно равна изменению кинетической энергии в относительном движении; в ЦК повышение давления в большей степени происходит вследствие изменения кинетической энергии в переносном движении, равного работе центробежных сил. Увеличение радиуса средней поверхности тока в ЦК и ДК увеличивает работу, передаваемую воздуху: при одинаковой окружной скорости на внешнем диаметре рабочего колеса работа ступени ЦК в 2—3 раза превышает работу осевой ступени. При высоких (πк*) К. обычно делится на несколько последовательных, механически не связанных каскадов (групп ступеней), каждый из которых приводится отдельной турбиной; используются одно-, двух- и трёхкаскадные К. Первая (по потоку) группа ступеней называется К. низкого давления (КНД), К. газогенератора — К. высокого давления; средний каскад К. трехкаскадного двигателя — К. среднего давления. КНД двухконтурного турбореактивного двигателя состоит из вентилятора и (в некоторых случаях) подпорных ступеней, устанавливаемых во внутреннем контуре. В авиационном газотурбинном двигателе КНД составляется из осевых ступеней. ОК позволяет получить производительность до 200 кг/с с 1 м2 лобовой площади на входе в первое рабочее колесо. Политропический коэффициент полезного действия может превышать 90% (см. Коэффициент полезного действия компрессора, турбины). Число ступеней ОК авиационного газотурбинного двигателя достигает 17; с конца 70-х гг., несмотря на рост (π)к* число ступеней в ОК вновь создаваемых двигателей уменьшается — средняя удельная работа на ступень увеличивается с 20—25 до 40—60 кДж*с/кг, главным образом за счёт увеличения окружной скорости до 500 м/с и более. В каждом каскаде ОК рабочие колёса жёстко связаны друг с другом сваркой, болтовыми соединениями, торцовыми шлицами или стяжным болтом. Наиболее распространённая конструкция ротора барабанно-дисковая. Лопатки рабочих колёс крепятся в ободе диска с помощью замков преимущественно типа «ласточкин хвост» или набираются в кольцевой паз на ободе диска. Лопатки направляющих аппаратов крепятся в кольце, устанавливаемом в наружном корпусе К., и либо выполняются консольными, либо объединяются по внутреннему диаметру кольцом, на котором укреплена уплотнительная обечайка, покрытая истираемым материалом, или сотовая. На соответствующем участке поверхности ротора выполняются в этом случае несколько кольцевых гребешков, образующих лабиринтное уплотнение, предотвращающее перетекание воздуха из области за направляющим аппаратом на вход в него. Центробежный К. состоит из входного направляющего аппарата, рабочего колеса (РК), безлопаточного и лопаточного диффузора и радиально-осевого канала со спрямляющим аппаратом. В авиационных конструкциях используются преимущественно полуоткрытые РК, представляющие собой диск с выполненными за одно с ним лопатками. В РК поток отклоняется в тангенциальном и радиальном направлениях. На выходном участке лопатки выполняются либо радиальными, либо загнутыми назад («реактивное» колесо). Только в ЦК первых турбореактивных двигателей использовались «активные» колёса с лопатками, загнутыми на выходном участке в направлении вращения. Наиболее высокий коэффициент полезного действия и благоприятную форму характеристики имеют ЦК с реактивными колёсами, ЦК бывают двухступенчатыми или их комбинируют с осевыми ступенями. Степень повышения давления в ЦК зависит в основном от окружной скорости u2 на внешнем диаметре РК и отношения D2/D1 и достигает в первых ступенях 6—8, во второй и последней ступенях ОЦК — 3—4. Политропический коэффициент полезного действия 83—86% и существенно зависит от степени повышения давления и размеров К. Конструкция ДК аналогична конструкции ЦК. Степень повышения давления в ДК также определяется значением u2, отношением D2/D1 и углом выхода потока из рабочего колеса и достигает (π)к* = 3—5 при политропическом коэффициенте полезного действия 85—87%; на коэффициент полезного действия значительно влияют диаметр компрессора и зазор между лопатками РК и корпусом, зависящий от жёсткости конструкции и тепловых деформаций. |
;
.