Результат интеллектуальной деятельности: Способ управления газотурбинным двигателем электронно-гидромеханической системой

Изобретение относится к области авиационного газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронных системах автоматического управления с гидромеханическим резервированием.

Известен способ управления газотурбинным двигателем (ГТД), заключающийся в том, что в электронном регуляторе в зависимости от положения рычага управления двигателем и значений параметров ГТД по законам управления электронного регулятора формируют сигналы управления, которые подаются на исполнительные механизмы электронного регулятора; в гидромеханическом регуляторе в зависимости от положения рычага управления двигателем и значений параметров ГТД по законам управления гидромеханического регулятора формируют сигналы управления, которые подаются на исполнительные механизмы гидромеханического регулятора. При исправном состоянии электронного регулятора с помощью селектора, представляющего собой специальное электрогидравлическое переключающее устройство, блокируют (отсекают) сигналы на исполнительные механизмы гидромеханического регулятора и осуществляют управление ГТД от исполнительных механизмов электронного регулятора. При отказе электронного регулятора с помощью селектора блокируют сигналы на исполнительные механизмы электронного регулятора и осуществляют управление ГТД от исполнительных механизмов гидромеханического регулятора. В процессе выключения ГТД при завершении каждого полета осуществляют функциональный контроль исправности работы селектора (Патент RU 2313677, МПК F02C 9/28, опубл. 27.12.2007).

Типовой процедурой перехода от основной электронной автоматики на резервную гидромеханическую автоматику является снятие электронным регулятором электропитания с электромагнита селектора и одновременное обесточивание всех своих исполнительных механизмов, включая электрогидропреобразователь канала управления расходом топлива. При этом скорость перехода от электронной автоматики на резервную гидромеханическую автоматику зависит от времени срабатывания селектора, а именно от времени переключения электромагнита селектора и времени перекладки золотника селектора для блокировки (отсечки) исполнительных элементов электронного регулятора и подключения гидромеханического регулятора.

Основными недостатками этого способа и ему подобных аналогов (Патент RU 1642812, МПК F02C 9/28, опубл. 18.09.1989, Патент RU 2348824, МПК F02C 9/26, опубл. 10.03.2009, Патент RU 2638497, МПК F02C 9/00, опубл. 13.12.2017 , Патент RU 2661802, МПК F02C 9/00, опубл. 19.07.2018, Патент RU 2468229, МПК F02C 9/00, опубл. 27.11.2012, Статья «Автоматический контроль и диагностика систем управления силовыми установками летательных аппаратов», В.И. Васильев, М.: «Машиностроение», 1989 г., с. 23-27.) является то, что из-за различий программ регулирования электронного и гидромеханического регуляторов после отказа электронного регулятора возможны скачкообразные изменения расхода топлива в камере сгорания ГТД.

Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ управления ГТД (Патент RU 2308605, МПК F02C 9/00, опубл. 20.10.2007, заключающийся в том, что в электронном регуляторе с помощью датчиков электронного регулятора измеряют положение рычага управления двигателем и параметры ГТД, в зависимости от положения рычага управления двигателем и значения параметров ГТД по законам управления, реализованным в электронном регуляторе, формируют управляющие воздействия электронного регулятора на его исполнительные элементы; в гидромеханическом регуляторе с помощью датчиков гидромеханического регулятора, в зависимости от положения рычага управления двигателем и значения параметров ГТД по законам управления, реализованным в гидромеханическом регуляторе, формируют управляющие воздействия гидромеханического регулятора на его исполнительные элементы, при исправном состоянии электронного регулятора с помощью селектора блокируют (отсекают) управляющие воздействия гидромеханического регулятора и управление ГТД осуществляют от электронного регулятора, а при отказе электронного регулятора с помощью селектора блокируют (отсекают) управляющие воздействия электронного регулятора и управление ГТД осуществляют от гидромеханического регулятора, при этом при исправном электронном регуляторе управляющее воздействие от гидромеханического регулятора корректируют таким образом, чтобы оно было одинаково с управляющим воздействием от электронного регулятора, при отказе электронного регулятора корректируют управляющее воздействие гидромеханического регулятора таким образом, чтобы оно плавно, за заданное время, величину которого регулируют в зависимости от характеристик конкретного двигателя, изменилось от величины, равной управляющему воздействию электронного регулятора в момент переключения селектора до величины, сформированной гидромеханическим регулятором в зависимости от положения рычага управления двигателем и значения параметров ГТД по законам управления, реализованным в гидромеханическом регуляторе.

К основному недостатку прототипа относится то, что при облитерации (постепенном заиливании) проходного сечения прецизионной золотниковой пары селектора или при попадании частиц загрязнения в зазор прецизионной пары возможно увеличение усилия сдвига золотника селектора. Следствием этого может стать увеличение общего времени движения / перекладки золотника селектора, что, в свою очередь, при достаточно длительной перекладке золотника селектора может привести к ситуации, когда электронный регулятор уже не управляет ГТД, т.к. его исполнительные элементы (электрогидропреобразователи) уже обесточены, а гидромеханический регулятор еще не подключен к управлению ГТД, при этом расход топлива в камеру сгорания будет определяться положением исполнительных элементов электронного регулятора в обесточенном состоянии.

Подобная неуправляемость (разрыв в управлении) в определенной ситуации может привести к неконтролируемому существенному мгновенному забросу или провалу расхода топлива в камеру сгорания, что недопустимо.

Другим недостатком прототипа является сложность корректировки управляющего воздействия от гидромеханического регулятора таким образом, чтобы оно было одинаково с управляющим воздействием от электронного регулятора во всех ожидаемых условиях эксплуатации ГТД.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является неконтролируемый заброс (провал) расхода топлива в камеру сгорания после отключения электронного регулятора и при увеличенном времени перекладки золотника селектора.

Технической задачей изобретения является повышение надежности работы электронно-гидромеханической системы автоматического управления ГТД за счет исключения неконтролируемых забросов (провалов) расхода топлива в камеру сгорания после отключения электронного регулятора и при увеличении времени перекладки селектора.

Техническая задача достигается тем, что в способе управления ГТД, заключающемся в том, что в электронном регуляторе с помощью датчиков электронного регулятора измеряют положение рычага управления двигателем и параметры ГТД, в зависимости от положения рычага управления двигателем и значения параметров ГТД по законам управления, реализованным в электронном регуляторе, формируют управляющие воздействия электронного регулятора на его исполнительные элементы; в гидромеханическом регуляторе с помощью датчиков гидромеханического регулятора, в зависимости от положения рычага управления двигателем и значения параметров ГТД по законам управления гидромеханического регулятора формируют управляющие воздействия гидромеханического регулятора на его исполнительные элементы, при исправном состоянии электронного регулятора с помощью селектора блокируют (отсекают) управляющие воздействия гидромеханического регулятора и управление ГТД осуществляют от электронного регулятора через его исполнительные элементы (электрогидропреобразователи, электромагниты), а при отказе электронного регулятора с помощью селектора блокируют (отсекают) управляющие воздействия электронного регулятора и управление ГТД осуществляют от гидромеханического регулятора, дополнительно при отказе электронного регулятора его управляющий сигнал на исполнительный элемент по расходу топлива сохраняют на время τ после выдачи управляющего сигнала на селектор, где τ – предельно допустимое значение времени перекладки золотника селектора, определяемое расчетно-экспериментальным путем для каждого типа ГТД.

Кроме того, согласно изобретению, в качестве предельно допустимого значения времени перекладки золотника селектора используют численное значение τ равное 3-7 с.

Сохранение управляющего сигнала на время τ равное, например, 3-7 с позволяет нам предотвращать возможные неконтролируемые забросы или провалы расхода топлива в камеру сгорания после отключения электронного регулятора и при увеличении времени перекладки селектора, что в целом повышает надежность работы ГТД. Специалистам в области управления ГТД ясно, что время τ не может исчисляться десятками секунд, т.к. при отключении электронного регулятора из-за его отказа или по команде пилота необходимо оперативно перейти на управление ГТД от исправного резервного гидромеханического регулятора.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующая заявляемый способ. Устройство содержит блок 1 электрических датчиков параметров ГТД, электронный регулятор 2, блок 3 гидромеханических датчиков параметров ГТД, гидромеханический насос-регулятор 4, ГТД 5.

Блок 1 представляет собой совокупность электрических датчиков и сигнализаторов, которые обеспечивают измерение положения рычага управления двигателем и внешних параметров условий полета (температуры и давления воздуха на входе в ГТД Твх^*, Рвх^*), измерение параметров рабочего процесса ГТД 5 (частоты вращения роторов высокого n_вд и низкого n_нд давлений, давления воздуха за компрессором Рк^*, температуры газов за турбиной Тг двигателя и др.), измерение управляющих воздействий (расхода топлива Gт в камере сгорания, положения элементов механизации компрессора), положение иных элементов ГТД 5 и самолета. Выходные сигналы датчиков блока 1 поступают на вход электронного регулятора 2.

Электронный регулятор 2 ГТД 5 представляет специализированную цифровую вычислительную машину, оснащенную устройствами ввода/вывода для получения входной информации, формирования управляющих воздействий на свои исполнительные элементы (электрогидропреобразователи, электромагниты) (не показаны) согласно заданным программам управления для обеспечения необходимого уровня тяги и надежной работы ГТД 5. Электронный регулятор 2 содержит систему встроенного контроля, предназначенную для своевременного выявления и парирования возникающих неисправностей отдельных элементов электронного регулятора и электрических датчиков блока 1. При выявлении недопустимого отказа система встроенного контроля автоматически отключает электронный регулятор 2 от управления ГТД 5.

Электронный регулятор 2 является основным устройством электронной системы управления ГТД. Примером такого устройства является электронный регулятор двигателя РЭД-90 из состава турбореактивного двухконтурного двигателя ПС-90А для Ил-96-300 и Ту-214/-204.

Блок 3 представляет собой совокупность механических или гидромеханических датчиков, которые обеспечивают измерение положения рычага управления двигателем, температуры воздуха на входе в ГТД Твх^*, основных параметров рабочего процесса ГТД 5 (частоты вращения ротора высокого давления, давления за компрессором и др.). Как правило, количество гидромеханических датчиков существенно меньше количества датчиков электронной части системы управления.

Гидромеханический насос-регулятор 4 предназначен для топливопитания, автоматического управления по заданным законам подачи топлива в камеру сгорания и управления геометрией компрессора ГТД 5 как по управляющим командам электронного регулятора 2, так и по управляющим командам самого гидромеханического насоса-регулятора 4. Как правило, количество программ управления в резервном гидромеханическом насосе-регуляторе 4 существенно меньше количества программ управления, реализованных в электронном регуляторе 2.

Гидромеханический насос-регулятор 4 содержит механизм селектирования сигналов 4.1, блок исполнительных элементов 4.2, управляемых от электронного регулятора 2, а также качающий узел для подачи топлива в камеру сгорания, узел управления расходом топлива в камере сгорания, механизм топливопитания гидроцилиндров (не показаны) и др.

Механизм селектирования сигналов 4.1 предназначен для переключения управления ГТД 5 от электронного регулятора 2 на гидромеханический насос-регулятор 4 в случае отключения электронного регулятора 2 и наоборот; состоит из электромагнитного клапана и золотникового узла.

Блок исполнительных элементов 4.2 содержит типовые электрогидропреобразователи типа ПС-7 и электромагниты. С помощью электрогидропреобразователей типа ПС-7 осуществляют управление расходом топлива в камере сгорания, управление аналоговой программой регулирования положения входного направляющего аппарата компрессора. Обычно аналоговые электрические сигналы из электронного регулятора 2 с помощью электрогидропреобразователей типа ПС-7 преобразуются в управляющие сигналы давления. Преобразованные в давление топлива команды подаются от преобразователей к исполнительному органу гидромеханического насоса-регулятора 4. С помощью электромагнитов обычно формируют релейные (дискретные) управляющие команды на силовые гидроцилиндры, например, для открытия/закрытия заслонок/лент перепуска воздуха в компрессоре.

ГТД 5 – любой известный тип газотурбинного двигателя или газотурбинной установки.

Устройство работает следующим образом. При исправном состоянии электронного регулятора 2 на его выходе формируется управляющее воздействие + 27В на электромагнитный клапан механизма селектирования 4.1 гидромеханического насоса-регулятора 4, в результате срабатывания электромагнитного клапана и перекладки золотника селектора управляющие воздействия гидромеханического насоса-регулятора 4 надежно блокируются (отсекаются). При этом по сигналам датчиков из блока 1 электронный регулятор 2 по заданным программам управления формирует управляющие воздействия в блок исполнительных элементов 4.2 гидромеханического насоса-регулятора 4, который с помощью качающего узла (не показан) обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания для поддержания заданного уровня тяги ГТД 5.

В случае отказа электронного регулятора 2 управляющее воздействие + 27В на электромагнитный клапан механизма селектирования 4.1 снимается, клапан закрывается, происходит обратная перекладка золотника селектора. Однако управляющий электрический сигнал из электронного регулятора 2 на его исполнительный элемент типа ПС-7 по расходу топлива сохраняется, не обесточивается и не блокируется на некоторое время τ после выдачи управляющего сигнала + 27В на перекладку селектора.

Таким образом, в случае увеличения продолжительности перекладки селектора не более времени τ неуправляемости по каналу расхода топлива не происходит - разрыв в управлении ГТД от электроники и гидромеханики отсутствует, и, соответственно, возможные неконтролируемые забросы или провалы расхода топлива в камеру сгорания после отключения электронного регулятора и при увеличении времени перекладки селектора до 5 с надежно предотвращаются.

Заявляемый способ успешно апробирован в составе авиационного газотурбинного двигателя ПС-90А для самолетов Ту-204/-214 и Ил-96-300. Были полностью подтверждены функциональная работоспособность и эффективность способа управления двигателем, оснащенным электронно-гидромеханической системой автоматического управления типа САУ-90 разработки. Анализ возможных отказов гидромеханического насоса-регулятора НР-90 из состава САУ-90 при работе на загрязненном топливе позволил установить наиболее оптимальное значение предельно допустимого времени τ перекладки золотника селектора. Так, предпочтительно, чтобы параметр τ для данного типа электронно-гидромеханической САУ составил величину равную 5 с.

Выбор предельно допустимого значения времени τ на уровне, например, 7 с и более приведет, как отмечалось выше, к определённой задержке подключения исправного гидромеханического регулятора.

Средством для реализации заявленного способа является электронный регулятор двигателя РЭД-90, представляющий собой специализированную электронную цифровую вычислительную машину, работающую в реальном масштабе времени. Электронный регулятор РЭД-90 выполнен на базе микропроцессорного комплекта и оснащен устройствами сопряжения с электрическими датчиками, сигнализаторами, исполнительными элементами и системами двигателя и самолета.

Также на этапе приемо-сдаточных испытаний ГТД типа ПС-90А при снятии дроссельных характеристик двигателя выполняют поднастройку электронного регулятора и гидромеханического регулятора таким образом, чтобы расход топлива в камере сгорания двигателя от электронного регулятора был несколько выше, чем от гидромеханического регулятора, но в пределах заданного допуска (до 1…2 % по частоте вращения ротора высокого давления). Такой подход позволяет минимизировать колебания режима (тяги) при переключении с основной автоматики на резервную гидромеханическую систему и наоборот, но это не является целью изобретения.

Специалистам в области надежности САУ и ГТД ясно, что заблаговременно должно быть проанализировано поведение каждой САУ при отказах всех типов её исполнительных элементов, в т.ч. при заедании / заклинивании золотника селектора. Тем не менее, для предотвращения ситуаций, связанных с возможным забросом топлива в камеру сгорания после отключения электронного регулятора двигателя и при одновременном заклинивании золотника селектора целесообразен и также внедрен в типовую конструкцию САУ-90 систематический функциональный контроль исправности работы селектора при выключении двигателя по окончании полета (Патент RU 2313677, МПК F02C 9/28, опубл. 27.12.2007).

Также следует принять во внимание, что для исключения выхода двигателя на недопустимый режим работы из-за избыточной подачи топлива в камеру сгорания после перехода на резервный канал управления возможно ограничение максимального расхода топлива за счет установки клапана ограничения максимального давления в междроссельной камере резервного канала управления (Патент RU 2 344 305 С1).