СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ.
Полезная модель относится к системам автоматического регулирования (САР) газотурбинного двигателя (ГТД).
ИФвестны САР ГТД, водействующие на один регулирующий Фактор, содержащие измерители выходных параметров, элементы сравнения и исполнительный механизм, причем сигнал с регулятора температуры газов непосредственно действует на настройку регулятора частоты вращения ротора ГТД С1 стр.108 рис.3.73. Недостатком такой схемы является уменьшение запасов устойчивости, уменьшение допустимых коэффициентов усиления в канале управления и ухудшение динамической точности регулирования при совместной работе регуляторов. Для устранения отрицательного влияния взаимодействия регуляторов на характеристики системы регулирования с одним регулирующим фактором применяют системы, которые включают в. себя каналы регулирования частоты вращения ротора ГТД и температуры газов, селектор минимума и исполнительный механизм 2 стр.181 рис.4.6. В этой схеме взаимодействие каналов управления сохраняется на переходных режимах.
Наиболее близким по достигаемому техническому результату выбранным за ближайший аналог является САР ГТД, содержащая измерители частоты вращения ротора ГТД и температуры газов, регуляторы этих параметров, селектор минимума, исполнительное устройство, воздействующее на расход топлива 1 стр.126 рис.3.263. Эта САР ГТД имеет низкую динамическую точность и заброс по температуре при селектировании, что можно объяснить следующим образом. k
МПК F02C9/2S
ГТД имеет различные динамические характеристики по разным выходным параметрам управления относительно расхода топлива, а именно:
По частоте вращения ротора передаточная Функция ГТД Ыпо-г(р):
(p)Kr,(p)/D(p),(1)
По температуре га@ов передаточная Функция ГТД Мто-гСр):
W-ro(p)(p)/D(p) ,(2)
где Kmoi-  коэффициент передачи ГТД по частоте вращения ротора;
К-гоо- - коэффициент передачи ГТД по температуре гаов;
А(р), В(р), D(p) - полиномы, .эависждие от типа газотурбинного двигателя;
p d/clt  оператор Лапласа.
Причем порядок А(р) на единицу меньше, чем D(p), т.е. ГТД по частоте вращения ротора является инерционным звеном, а порядок В(р) равен порядку D(p), т.е. ГТД по температуре газов практически является безинерционным звеном.
Передаточная Функция исполнительного устройства и)иу(р):
(р)К„,(Т„хР+1)(3)
где Киэ, - коэффициент передачи исполнительного устройства;
Тиу - постоянная времени исполнительного устройства т.е. исполнительное устройство является изодромным звеном. При этой
Wwy ( Р ) ( Р)        J(4)
W/ 1  til/ 1-1. Ч - .„.„ Ч . iJl
t
K«v(T«xP-H) К„и-гА(р) Кх
р D(p)р
К„а,Тк.агр4-1) К-гга-гВ(р) KatTip+l)
где Ki - коэффициент передачи цепи исполнительное устройство - ГТД по частоте враи|,ения ротора;
Кз - коэффициент передачи цепи исполнительное устройство - ГТД по тенпературе гаов;
Ti - постоянная времени цепи исполнительное устройство - ГТД по температуре rasoB.
Для получения необходимого качества регулирования частоты враш,ения ротора ГТД и температуры  регуляторы этих параметров должны иметь следующие передаточные Функции: передаточная Функция регулятора частоты вращения ротора ГТД UJn(p):
где Кп  коэффициент передачи регулятора частоты вращения ротора ГТД; передаточная Функция регулятора температуры rasoB WT(P)S
где Кт - коэффициент передачи регулятора температуры гаэов;
Т-г  Ti - постоянная времени регулятора температуры га:л:ов.
Инерционность датчика температуры должна быть скорректирована так, чтобы измерители параметров были бе-эинерционными. Тогда передаточные Функции отдельных разомкнутых каналов Мх(р и (р) имеют вид:
Wi.(p)W(p)W«y(p)Wr,c,-.-(p)  К/р, (8)
W/ . V «„1,1 / .. ч 1.1/ гч  IIIt 9Щ. -«....«.« - ..   /  О
заkр w р/WwyIрJМтсэт р  --- - --  K/PJ v/ b
Wr,(p)Kr,,)
W-r(p),(7)
(T-rp+1)
Кг, K«y(T.,vp-«-l) К„с.,А(р) Кг, Кх
р D(p)р
Кт К„:,() (р) Кт Кя
(Txp+l) р D(p) р
.
Для получения необходимого качества регулирования переключение селектора должно происходить в момент равенства рассогласовании между текуц ими значениями параметров и уставкапи параметров 1,стр.110, т.е. сигналов перед регуляторами. Из анализа видно, что регулятор температуры гаФов является инерционным по отношению к регулятору частоты  ротора ГТД, поэтому селектор переключается с @апа г:дыванием. В результате происходит заброс по температуре газов.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является улучшение динамических характеристик САР путем устранения заброса по температуре газов, что приводит к экономии ресурса ГТД.
поставленная задача решается тем, что система содержит последовательно соединенные измеритель частоты вращения ротора ГТД, первый элемент сравнения, регулятор частоты вращения ротора ГТД, селектор минимума, исполнительное устройство и газотурбинный двигатель, причем газотурбинный двигатель соединен с измерителем частоты вращения ротора ГТД и измерителем температуры газов, а последний своим выходом подключен к первому входу второго элемента сравнения, регулятор температуры газов, выход которого соединен со вторым входом селектора минимума, причем ко второму входу первого элемента сравнения подключен задатчик частоты вращения ротора ГТД, ко второму входу второго элемента сравнения подключен задатчик температуры газов. В отличие от ближайшего аналога заявляемая полезная модель дополнительно содержит два корректирующих звена, два суммирующих элемента, компаратор и ключ, причем входы первого и второго корректирующих звеньев подключены к выходам соответственно
Тиу  Tx.(10) .
первого и второго элементов сравнения, а выходы - к входам первого суинируюадего элемента, входы компаратора подключены к выходам рагуляторов частоты вра1аения ротора ГТД и температуры гаов, а выход соединен с первым входом ключа, второй вход которого соединен с выходом первого суммирующего элемента, а выход - с первый входом второго суммирующего элемента, второй вход которого связан с выходом второго элемента сравнения, а выход - с входом регулятора температуры rasoB.
Существо системы поясняется чертежами. На Фигуре 1 и 3:оёражена структурная схема САР ГТД, на Фигуре 2 изображены результаты моделирования переходных процессов в САР ГТД при селектировании.
Система автоматического регулирования ГТД, содержащая последовательно соединенные измеритель частоты вращения ротора ГТД 1, первый элемент сравнения 2, регулятор частоты вращения ротора ГТД 3, селектор минимума 4, исполнительное устройство 5 и газотурбинный двигатель 6, причем газотурбинный двигатель Ь соединен с измерителем частоты вращения ротора ГТД 1 и измерУ1телем температуры газов 7, последний своим выходом подключен к первому входу второго элемента сравнения 8, регулятор температуры газов 9, выход которого соединен со вторым входом селектора минимума 4, причем ко второму входу первого элемента сравнения 2 подключен задатчик частоты вращения ротора ГТД 10, ко второму входу второго элемента сравнения подключен задатчик температуры газов 11. Дополнительно система содержит два корректирующих звена 12 и 13, два суммирующих элемента 14 и 15,
компаратор 16 и ключ 17, причем входы первого 12 и второго 13 корректирующих звеньев подключены к выходам соответственно первого 2
« 0
соединен с первый входом ключа 17, второй вход которого соединен с выходом первого суммирующего элемента 14, а выход - с первым входом второго суммирующего элемента 15, второй вход которого связан с выходом второго элемента сравнения 8, а выход - с входом регулятора температуры гаов 9.
САР ГТД работает следующим образом. В канале регулирования частоты вращения ротора ГТД сигнал с измерителя 1, пропорциональный частоте вращения ротора ГТД подается на сравнивающее устройство 2,, где сравнивается с значением уставки эадатчика частоты вращения ротора ГТД 10 и формируется выходной сигнал рассогласования Ei, пропорциональный рассогласованию между заданной и текущей частотами вращения ротора ГТД. Этот сигнал поступает на вход регулятора частоты вращения ротора ГТД 3, формирующий управляющий сигнал Un для исполнительного устройства 5, который подается на первый вход селектора минимума 4.
В канале регулирования ( ограничения ) температуры газов сигнал с измерителя температуры газов 7, пропорциональный температуре газов, подается на сравнивающее устройство 8, где сравнивается с значением уставки задатчика температуры 11 и формируется выходной сигнал рассогласования Еэ, пропорциональный рассогласованию между заданной и текущей температурой газов. Этот сигнал поступает на суммирующий элемент 18, где складывается с сигналом коррекции уставки, и подается на вход регулятора температуры 9, формирующий управляющий сигнал UT для исполнительного устройства 5, который подается на второй вход селектора минимума 4.
На выход селектора минимума 4 проходит выходной сигнал того канала регулирования, который в данный момент по условиям работы ГТД требует меньшего расхода топлива. Сигнал с селектора минимума 4 через исполнительное устройства 5 воздейВствует на расход топлива в
газотурбинной двигателе 6.
Сигналы рассогласования Ex и Ег подаются на входы корректирующих ©веньев первого 12 и второго 13 соответственно. Супиирующий элемент 14 складывает сигналы с выходов корректиру1ои1,их звеньев 12 и 13, формируя тем самым сигнал коррекции уставки. Сигнал коррекции уставки уменьшает уставку регулятора температуры 9 и тем самым обеспечивает более раннее селектирование и включение в работу канала температуры, ликвидируя еаброс по температуре газов. Сигнал коррекции уставки чере ключ 17 подается на второй вход суммирующего элемента 15, Ключ 17 открыт только при работе САР в режиме регулирования частоты вращения ротора ГТД, когда сигнал на неинвертирующем входе компаратора 16 ( сигнал с регулятора температуры газов 9) больше сигнала на инвертирующем входе ( сигнала с регулятора частоты вращения ротора ГТД 3 ). При этом сигнал на выходе компаратора 16 удерживает ключ 17 в открытом состоянии. После переключения селектора минимума 4 в режим регулирования температуры на выходе компаратора 16 появляется сигнал, закрывающий ключ 17, изменение уставки температуры прекращается и она определяется только задатчиком 11.
Переключение селектора минимума 4 осуществляется при условии:
Чтобы при селектировании выполнялось условие
передаточные Функции первого 12 и второго 13 корректирующих звеньев Wi-.i.(p) и Wna(p) соответственно получим следующим образом:
(р)Е:а + WMX(P)WT-(P)EX +  ( р) W-r ( р ) Е. .(14)
.
Ur,  и-г.(11)
.(12)
Ur,Wr,(p)Ei,(13)
или Wr,(p)Ex - W.i(p)W-r(p)Ex  Wx(p)E2 + Wv..i(p)W-r(p)E2, (16) если
TO условие селектирования полумаем в виле (12), тогда:
Например, испольгуа данные для одновального ГТД, приведенные в СЗ, стр.
(0.56р+1)Хг,  0.45 Хопг + 0.86 Хр.,(21)
(0.56р+1)Хт  (0.29р + 0.35)Хш-г - (0.16р + 0.62). (22) где Хп - выходной сигнал по частоте вращения ротора ГТД; Х-гА - выходной сигнал по температуре гаеов; Хвт - входное воздействие по расходу топлива; Хргс: - входное воздействие по площади сечения сопла.
И этих уравнений получим:
передаточные Функции ГТД по частоте вращения ротора ГТД Ыг,гатг(р) и температуре газов WTO-I-(P):
Wr,c9-r(p)  0.45/(0.56р+1) ,(23)
Wxe(p)  0.35(0.83p-H)/(0.56p-H) ,(24)
передаточная Функция исполнительного устройства Wvtx(p)i
W«;,(p)  3(0.56р+1)/р,(25)
передаточные Функции регуляторов частоты вращения ротора ГТД 3 и температуры газов 9:
WT(P)  1/ (0.35 (0.83Р+1)).(27)
Wr,(p) - (P)WT(P)  1,(17)
WT(P) + WM:(P)WT(P)  1,(18)
W.a.(p)  (Wr,(p) - I)/WT(P),(19)
,(p)  (1 - W-r(p))/WT(p).(20)
Wr,(p)  1/0.45,(26)
Результаты моделирования переходного процесса при селектировании для рассиотренного примера приведены на рисунке 2, где кривая 1 переходной процесс беэ использования заявл.яеиой полезной модели, кривая 2 - переходной процесс с использованием заявляемой полезной модели.
Источники информации:
1.Интегральные системы автоматического управления силовыми установками самолетов / Под.ред. А.А.Шевякова -, И.: Иашиностроение, 1983. - 283 с.
2.Боднер 6.Д., Рязанов Ю. А. ..Шаймарданов Ф.А. Системы автоматического управления двигателями летательных аппаратов -, М. s Машиностроение, 1973. - 248 с.
3.Шевяков А.А. Автоматика авиационных и ракетных силовых установок -, М.: Нашиностроение, 1970. -248 с.
Проректор по
научной работе 11/1У 1/ 1 ..- B.C. Жернаков
WKI.(P)  0.428(0.83p + 1),(28)
(p)  0.35(0.83p 4- 1) - 1.(29)