СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF PARAMETRES OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области автоматического регулирования и может быть использовано в системах управления авиационными газотурбинными двигателями (ГТД).
Известна система автоматического управления газотурбинным двигателем, которая содержит основной и дублирующий цифровые электронные регуляторы со встроенными блоками контроля, формирующие сигналы управления на исполнительный механизм. При отказе основного цифрового регулятора система переходит на дублирующий цифровой регулятор, а при отказе электронной части обоих регуляторов включается в работу аварийный гидромеханический регулятор. Переключение управления производится с помощью переключателей и логических элементов. Система также содержит блоки обнаружения неисправностей датчиков двигателя и исполнительного механизма и блоки математических моделей двигателя и исполнительного механизма (авт. св. СССР №1642812, МКИ F02С 9/28, опубл. 15.05.94 г., БИ №9).
Недостатками этой системы являются ограниченные функциональные и эксплуатационные возможности, а именно невозможность регулирования дополнительных режимов двухвального двигателя.
Известна электронно-гидромеханическая система регулирования подачи топлива, которая содержит гидромеханический регулятор, по крайней мере, два электронных канала регулирования, селектор, электрогидравлический переключатель, электронные ключи, гидромеханический и электронный селекторы, логические схемы И (патент РФ №1090083, опубл. 27.01.96 г. Бюл. №3).
Недостатком этой системы является недостаточная надежность как электронной, так и гидромеханической частей системы, трудоемкость настроек и регулировок при производстве и в эксплуатации, а также ограниченные эксплуатационные возможности.
Известна система автоматического управления газотурбинным двигателем, содержащая канал ограничения частоты вращения ротора низкого давления, канал ограничения частоты вращения ротора высокого давления, канал ограничения температуры газов за турбиной ротора низкого давления. Каждый канал содержит измерители регулируемой величины основной и контрольный, формирователи законов ограничения, блоки контроля каналов и ключи, кроме того устройство содержит селектор минимального расхода топлива, блок управления исполнительным механизмом, исполнительный механизм, задатчик режимов, программный блок, блок формирования сигнала отказа, блок контроля устройства управления расходом топлива и исполнительного механизма, пороговый элемент (патент РФ №2221929, МКИ F02С 9/28, (патент РФ №2221929 МКИ F02С 9/28, опубл. 20.01.2004 г., БИ №2). Эта система является прототипом к заявляемому техническому решению.
Схемное решение прототипа предназначено для регулирования двухвального двигателя, однако его недостатком является низкая точность регулирования, недостаточная надежность, трудоемкость настроек и регулировок при производстве и в эксплуатации, а также ограниченные эксплуатационные возможности.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение надежности системы, качества и точности регулирования, снижение трудоемкости настроек и регулировок, а также расширение эксплуатационных возможностей.
Поставленная задача решается следующим образом.
В систему автоматического регулирования газотурбинного двигателя, содержащую каналы регулирования, блок измерителей параметров, блок управления исполнительными механизмами, введены блок вычислителя основного канала, блок вычислителя дублирующего канала, формирователь канала приема-передачи данных и телеметрических сигналов, блок драйверов дискретных сигналов, блок защиты, дополнительный блок управления исполнительными механизмами дублирующего канала, первый, второй и третий каналы информационного обмена, первый, второй, третий, четвертый и пятый каналы приема-передачи данных, при этом соответствующие выходы блока измерителей параметров подключены соответственно к входу блока вычислителя основного канала и входу блока вычислителя дублирующего канала, которые через третий канал информационного обмена соединены между собой, а через первый и второй каналы приема-передачи данных подключены соответственно к входам формирователя канала приема-передачи данных и телеметрических сигналов, который через четвертый канал приема-передачи данных подключен к входу первого блока управления исполнительными механизмами, а через пятый канал приема-передачи данных - к входу дополнительного блока управления исполнительными механизмами, выходы блоков управления исполнительными механизмами подключены к газотурбинному двигателю и к первому входу блока защиты, ко второму входу которого подключены первые входы блоков управления исполнительными механизмами, ко вторым входам которых подключены соответственно выход блока вычислителя основного канала и выход блока вычислителя дублирующего канала, причем выход формирователя канала приема-передачи данных и телеметрических сигналов подключен к входу блока драйверов дискретных сигналов, выход которого подключен к соответствующему входу формирователя канала приема-передачи данных и телеметрических сигналов, который также подключен к третьему каналу приема-передачи данных, кроме того блок вычислителя основного канала подключен к первому каналу информационного обмена, а блок вычислителя дублирующего канала подключен ко второму каналу информационного обмена, а соответствующие выходы блока вычислителя основного канала, блока вычислителя дублирующего канала и формирователя канала приема-передачи данных и телеметрических сигналов подключены к входу блока измерителей параметров.
Совокупность признаков заявляемого технического решения позволяет повысить надежность за счет наличия дублирующего канала регулирования, обеспечить регулирование режимов двухвального двигателя, повысить качество и точность регулирования, снизить трудоемкость настроек и регулировок в производстве и в эксплуатации за счет применения программного обеспечения и каналов информационного обмена с ЭВМ, вести подсчет наработки, повреждаемости, нагружения, выбега основных узлов двигателя для эксплуатации его по техническому состоянию, что расширяет эксплуатационные возможности системы.
Из изученной научно-технической и патентной информации авторам не известно техническое решение с указанными в формуле изобретения отличительными признаками, это дает основание сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критериям изобретения.
На чертеже представлена схема заявляемого устройства.
Устройство содержит блок измерителей параметров ГТД 1, блок вычислителя основного канала 2, блок вычислителя дублирующего канала 3, формирователь канала приема-передачи данных и телеметрических сигналов 4, блок драйверов дискретных сигналов 5, блок управления исполнительными механизмами основного канала 6, блок защиты 7, блок управления исполнительными механизмами дублирующего канала 8, первый 9, второй 10 и третий 11 каналы информационного обмена (КИО), первый 12, второй 13, третий 14, четвертый 15 и пятый 16 каналы приема-передачи данных (КППД).
Система автоматического регулирования работает следующим образом.
Сигналы, поступающие с датчиков газотурбинного двигателя, преобразуются в пропорциональные им напряжения в блоке измерителей параметров ГТД 1 и подаются соответственно на блок вычислителя основного канала 2 и блок вычислителя дублирующего канала 3. В блоках вычислителей посредством программного обеспечения происходит оцифровка полученных сигналов, анализ, обмен данными через канал информационного обмена 11, проверка на отказ, выработка и передача данных соответствующих управляющих воздействий. Управляющие воздействия в соответствии с программными законами регулирования через канал приема-передачи данных 12, формирователь канала приема-передачи данных и телеметрических сигналов 4 и канал приема передачи данных 15 поступают на блок управления исполнительными механизмами 6, если активным каналом является основной. Если активным каналом является дублирующий, то управляющие воздействия через канал приема-передачи данных 13, формирователь канала приема-передачи данных и телеметрических сигналов 4 и канал приема передачи данных 16 поступают на блок управления исполнительными механизмами 8. Таким образом, в зависимости от того, какой канал в данный момент является активным, осуществляется трансляция данных об управляющих воздействиях на исполнительные механизмы основного или дублирующего канала. Данные о параметрах ГТД поступают в формирователь канала приема-передачи данных и телеметрических сигналов 4, который формирует пакет данных аналоговых и дискретных телеметрических сигналов и выдает их на бортовую аппаратуру. Причем аналоговые телеметрические сигналы поступают на бортовую аппаратуру через канал приема-передачи данных 14, а дискретные телеметрические сигналы - через блок драйверов дискретных сигналов 5. Формирователь канала приема-передачи данных и телеметрических сигналов 4 при наземном контроле выдает управляющие сигналы на блок измерителей параметров ГТД 1, а также принимает сигналы обратных связей с выхода блока драйверов дискретных сигналов 5, которые преобразует и транслирует через КППД 12 и 13 соответственно в блоки вычислителей 2 и 3 для оценки состояния драйверов дискретных сигналов.
Работа блока вычислителя основного канала 2 и блока вычислителя дублирующего канала 3 осуществляется посредством программного обеспечения. Каждый канал регулирования работает со своим соответствующим блоком управления исполнительными механизмами 6 и 8 непосредственно, а также через формирователь канала передачи данных и телеметрических сигналов 4. При отказе (аппаратном или программном) блока вычислителя основного канала система автоматического регулирования целиком переходит на дублирующий канал со своим блоком управления исполнительными механизмами 8.
Входные дискретные сигналы поступают с бортовой аппаратуры в блоки управления исполнительными механизмами 6 и 8 и блок защиты 7. В блоке защиты 7 происходит необходимая подгрузка этих сигналов до требуемого значения, а в блоках 6 и 8 нормализация и передача в соответствующие блоки вычислителей для анализа соответственно через КППД 15, 16, формирователь канала приема-передачи данных и телеметрических сигналов 4 и КППД 12, 13.
При поступлении с бортовой аппаратуры сигнала наземного контроля, для проверки целостности цепей и оценки работоспособности аппаратной части: датчиков, каналов регулирования, драйверов исполнительных механизмов и драйверов дискретных сигналов, блоки вычислителей 2 и 3 по очереди формируют управляющие сигналы непосредственно и через формирователь канала приема-передачи данных и телеметрических сигналов 4 на блок измерителей параметров ГТД 1, на соответствующие драйверы блока драйверов дискретных сигналов 5, а также на блоки управления исполнительными механизмами 6 и 8. Причем дублирующий канал ждет, пока основной канал не закончит опрос всей аппаратной части системы автоматического регулирования, и только тогда начинает свой такой же опрос. Сигналы реакции на эти воздействия поступают обратно по каналам измерения и обратным связям соответственно в блоки вычислителей 2 и 3, где происходит их обработка, проверка на отказ и анализ. В случае отказа в системе регулирования формируется и выдается признак отказа на ЭВМ по каналам информационного обмена 9 и 10 и бортовую аппаратуру по каналу информационного обмена 14. Кроме того, в случае возникновения отказа на бортовую аппаратуру через формирователь канала передачи данных и телеметрических сигналов 4 и блок драйверов дискретных сигналов 5 формируется общий признак отказа системы автоматического регулирования.
Выходы блоков управления исполнительными механизмами 6 и 8 подключены к исполнительным механизмам ГТД и к входу блока защиты 7, где происходит защита драйверов исполнительных механизмов от обратного напряжения.
Формирование программ регулирования и реализация алгоритмов управления осуществляется блоками вычислителей 2 и 3 под управлением программного обеспечения на основе получаемой им входной информации о физических параметрах и дискретных командах. По полученным данным вычислители формируют управляющие воздействия и выдают сигналы на выходные устройства системы автоматического управления.
Заявляемое устройство имеет двухканальную структуру. При отсутствии отказов управление осуществляет основной канал, при полном отказе основного канала управление переключается на дублирующий канал, при отказе обоих каналов управление переключается на гидромеханику.
Предусмотрена возможность управления одним или несколькими исполнительными механизмами дублирующего канала в случае отказа драйверов исполнительных механизмов на основном канале, при этом основной канал остается активным и управляет остальными исполнительными механизмами. При отказе в канале одного из дублированных датчиков информация о соответствующем параметре передается с другого канала, имеющего исправный датчик, через канал информационного обмена 11.
Основной и дублирующий каналы регулирования идентичны и имеют одинаковое программное обеспечение. Каждый из них имеет блок вычислителя, блок управления исполнительными механизмами, каналы измерения параметров ГТД, каналы информационного обмена, каналы приема-передачи данных.
Каждый измеритель имеет отдельные выходы для основного и дублирующего каналов. Оба канала имеют отдельные цепи и устройства передачи и обработки сигналов, поступающих с выходов измерителей.
Драйверы выходных дискретных и аналоговых телеметрических сигналов не дублированы. Управление ими осуществляется от активного канала.
Заявляемая система регулирования обеспечивает прием и первичное преобразование сигналов с датчиков ГТД в нормализованное напряжение постоянного тока в диапазоне от 0 до 5 В. Кроме того, осуществляет прием и преобразование в цифровые сигналы входных дискретных сигналов, сигналов контроля с блоков управления исполнительными механизмами 6 и 8, сигналов обратной связи с блока драйверов 5, дискретных сигналов с блоков вычислителей 2 и 3 и преобразование их в выходные сигналы управления исполнительными механизмами и в выходные дискретные и аналоговые сигналы. Блоки вычислителей 2 и 3 представляет собой микропроцессорное устройство с энергонезависимой памятью для хранения рабочего программного обеспечения, с энергонезависимой памятью для хранения эксплуатационных данных, а также данных результатов самоконтроля, подсчета наработки, повреждаемости, нагружения, выбега узлов двигателя и оперативной памятью. Программное обеспечение регулятора подразделяется на операционную систему (ОС) и функциональное программное обеспечение (ФПО).
Операционная система управляет работой системы регулирования, обеспечивает прием и преобразование входной информации в цифровые коды и сохранение их в оперативной памяти для дальнейшего использования функциональным программным обеспечением, а также обеспечивает преобразование формируемых программой кодов в сигналы, выдаваемые блоками вычислителей на выходные устройства. Функциональное программное обеспечение преобразует получаемые от ОС коды в физические параметры и дискретные команды, выполняет вычисление программ регулирования и управления, формирует управляющие воздействия и в виде кодов пересылает их в память для дальнейшего преобразования операционной системой в выходные сигналы вычислителя.
Такое функциональное построение системы автоматического регулирования повышает точность регулирования параметров ГТД и надежность работы устройства, снижает трудоемкость настроек и регулировок, расширяет его эксплуатационные возможности, позволяет использовать для автоматического регулирования двухвального газотурбинного двигателя. Выполнение системы регулирования на базе серийно выпускаемых стандартных твердотельных электронных базовых элементов, БИС и СБИС, позволяет снизить массогабаритные показатели, а использование операционной системы и функционального программного обеспечения позволяет вести подсчет наработки, повреждаемости, нагружения, выбега основных узлов двигателя, что позволяет эксплуатировать двигатель по техническому состоянию, а также повысить эффективность поиска неисправностей и дефектов в случае их возникновения на этапах производства, испытаний и эксплуатации.