Система управления воздушными винтами турбовинтовентиляторного двигателя

 

Изобретение относится к авиационному двигателестороению, в частности к системам управления соосными воздушными винтами турбовинтеляторного двигателя (ТВВД). Цель изобретения - повышение динамической точности регулирования ТВВД с соосными винтами на переходных и установившихся режимах работы. В систему управления соосными воздушными винтами турбовентиляторного двигателя, содержащую датчик положения рычага управления двигателя, программное задающее устройство, первый сумматор, регулятор подачи топлива, задающее устройство, второй сумматор, регулятор частоты вращения переднего винта, датчик числа оборотов переднего винта, третий сумматор, регулятор частоты вращения заднего винта, датчик числа оборотов заднего винта, датчик температуры на входе в компрессор низкого давления, датчик давления на входе в компрессор низкого давления, дополнительно введены датчик числа оборотов компрессора низкого давления, датчик числа оборотов компрессора высокого давления, датчик расхода топлива.Регуляторы частот вращения переднего и заднего винтов выполнены в виде двенадцати умножителей, четырех дифференциаторов двух интеграторов, и двенадцати функциональных преобразователей. 7 ил.

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, в частности к системам управления соосными воздушными винтами турбовинтовентиляторного двигателя (ТВВД).

Известны системы управления частотами вращения воздушных винтов ТВД. Недостатком таких систем является низкое качество управления.

Известна система управления воздушными винтами ТВВД с дифференциальным редуктором, содержащая последовательно соединенные датчик положения рычага управления двигателем, программное задающее устройство, первый сумматор и регулятор подачи топлива, выход которого соединен с вторым инверсным входом первого сумматора и является первым выходом системы по сигналу подачи топлива, задающее устройство, вход которого соединен с выходом датчика положения рычага управления двигателем, а первый выход соединен с последовательно соединенными вторым сумматором и регулятором частоты вращения переднего воздушного винта, выход которого является вторым выходом системы по сигналу угла поворота лопастей переднего воздушного винта, датчик числа оборотов переднего винта, выход которого соединен с вторым инверсным входом второго сумматора, последовательно соединенные второй выход задающего устройства, третий сумматор и регулятор частоты вращения заднего воздушного винта, выход которого является третьим выходом системы по сигналу угла поворота лопастей заднего воздушного винта, датчик числа оборотов заднего винта, выход которого соединен с вторым инверсным входом третьего сумматора, датчик температуры на входе в компрессор ТВВД, датчик давления на входе в компрессор ТВВД, выходы которых соединены соответственно с вторым и третьим входами программного задающего устройства.

Недостатком данной системы является то, что она обладает низкой динамической точностью на установившихся режимах. Также из-за низкой динамической точности данная система неприменима на динамических (приемистость) режимах, т. к. отсутствует учет влияния динамики вращающихся инерционных масс газогенератора при формировании управляющих воздействий регуляторов винтов на исполнительные механизмы. На величину динамической погрешности существенно влияет изменение величины крутящего момента, подводимого к винтам, при изменении режима работы двигателя, что также не учитывается в данной системе. Кроме того, динамическая точность управления существенно зависит от взаимного влияния двух соосных воздушных винтов, что также не увеличивается в данной системе.

Цель изобретения - повышение динамической точности регулирования ТВВД с соосными винтами на переходных и установившихся режимах работы.

Это достигается тем, что в систему управления соосными воздушными винтами турбовинтовентиляторного двигателя, содержащую последовательно соединенные датчик положения рычага управления двигателя, программное задающее устройство, первый сумматор и регулятор подачи топлива, выход которого соединен со вторым инверсным входом первого сумматора и является первым выходом системы по сигналу подачи топлива, последовательно соединенные задающее устройство, вход которого соединен с выходом датчика положения рычага управления двигателем, второй сумматор и регулятор частоты вращения переднего винта, выход которого является вторым выходом системы по сигналу угла поворота лопастей переднего винта, датчик числа оборотов переднего винта, выход которого соединен с вторым инверсным входом второго сумматора, последовательно соединенные второй выход задающего устройства, третий сумматор и регулятор частоты вращения заднего винта, выход которого является третьим выходом системы по сигналу угла поворота лопастей заднего винта, датчик числа оборотов заднего винта, выход которого соединен с вторым инверсным входом третьего сумматора, датчик температуры на входе в компрессор низкого давления, датчик давления на входе в компрессор низкого давления, выходы которых соединены соответственно с вторым и третьим входами программного задающего устройства, дополнительно вводятся датчик числа оборотов компрессора низкого давления, датчик числа оборотов компрессора высокого давления, датчик расхода топлива, четыре дифференциатора, а регуляторы частоты вращения переднего и заднего винтов выполнены в виде двенадцати умножителей, двух интеграторов, двенадцати функциональных преобразователей, причем выход датчика числа оборотов компрессора высокого давления соединен с входом первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого, десятого, одиннадцатого и двенадцатого функциональных преобразователей, выходы которых соединены с первыми входами первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого, десятого, одиннадцатого и двенадцатого умножителей соответственно, третий, четвертый, пятый шестой и седьмой инверсные входы второго сумматора соединены с выходами первого, второго, третьего, четвертого, пятого умножителей, а его выход соединен с вторым входом шестого умножителя, выход которого соединен с входом первого интегратора, входы третьего сумматора соединены соответственно с выходами седьмого, восьмого, девятого, десятого, одиннадцатого умножителей, а его выход соединен с вторым входом двенадцатого умножителя, выход которого соединен с входом второго интегратора, входы первого, второго, третьего и четвертого дифференциаторов соединены соответственно с выходами датчика частоты вращения компрессора низкого давления, датчика частоты вращения переднего винта, датчика частоты вращения заднего винта и датчика расхода топлива, выходы первого, второго, третьего и четвертого дифференциаторов соединены со вторыми входами соответственно первого и седьмого, второго и восьмого, третьего и девятого, четвертого и десятого умножителей, выход шестого умножителя соединен с вторым входом одиннадцатого умножителя, а выход двенадцатого умножителя соединен с вторым входом пятого умножителя.

На фиг. 1 представлена структурная схема системы управления воздушными винтами ТВВД; на фиг. 2 - графическая форма зависимости , где G_т^зад - заданный расход топлива. Функциональная схема блока 2, реализующая алгоритм формирования величины G_т^зад, представлена на фиг. 3, где К, С и В - постоянные коэффициенты.

Таким образом, сигнал G_т^зад формируется в блоке 2 в функции давления Р₁^* и температуры T₁^* заторможенного потока воздуха, а также положения рычага управления двигателем а_руд.

Функциональная схема блока 6, реализующая изодромный регулятор G_т, представлена на фиг. 4, где W_G= K - передаточная функция (Т_из = 3 с, Т_с = 0,1 с) изодромного регулятора; К_чэ - коэффициент передачи изодромного регулятора.

При практической реализации программы дросселирования применяется дросселирование только по подаче топлива, т.е. снижением температуры газов при n_п^зад = =n_з^зад = const. Зависимость задающего воздействия n_п^зад и n_з^зад от _руд при таком способе дросселирования показана на фиг. 5, где _мг и ₁ - положения рычага управления двигателем на режиме малого газа и максимальной частоте вращения воздушного винта соответственно; _мах - положение рычага управления двигателем, соответствующее режиму максимальной мощности двигателя. Поэтому алгоритм формирования величин n_п^зад ( _руд) и n_з^зад ( _руд) представляется в виде n^з_п^ад = n^з_з^ад = где А - коэффициент пропорциональности; n_мг и n_мах - частота вращения воздушного винта на режимах малого газа и максимального - соответственно.

Функциональная схема блока 32, реализующая этот алгоритм, представлена на фиг. 6.

Функциональные преобразователи 7,...,18 осуществляют кусочно-линейную аппроксимацию однозначных вещественных функций К_ij и K_2j (j = 1, 6). Конкретная реализация возможна по принципиальной схеме кусочно-линейного преобразователя на диодных ограничителях, приведенной на фиг. 7.

Структурная схема системы управления воздушными винтами ТВВД имеет три управляющих воздействия: расход топливам в основную камеру сгорания - G_т, угол поворота переднего винта _п и угол поворота заднего винта _з, одно задающее воздействие - положение рычага управления двигателем _руди пять выходных двигательных параметров: число оборотов переднего воздушного винта n_п, число оборотов заднего воздушного винта n_з, число оборотов компрессора низкого давления n_i, число оборотов компрессора высокого давления n₂, расход топлива G_т, включает в себя датчик 1 положения рычага управления двигателя, программное задающее устройство 2, датчик 3 температуры воздуха на входе в компрессор низкого давления, датчик 4 давления воздуха на входе в компрессор низкого давления, сумматор 5, регулятор G_т 6, функциональные преобразователи 7-18, датчик 19 числа оборотов компрессора высокого давления, умножители 20-31, задающее устройство 32, сумматоры 33, 34, датчик 35 числа оборотов компрессора низкого давления, дифференцатор 36, датчик 37 числа оборотов переднего винта, дифференциатор 38, датчик числа оборотов заднего винта 39, дифференцатор 40, интеграторы 41, 42, датчик 43 расхода топлива, дифференциатор 44, регуляторы 45, 46 частоты вращения переднего и заднего винтов, причем сигнал _руд с датчика 1 поступает на первый вход программного задающего устройства 2, на второй и третий входы которого поступают сигналы T_i^* и Р_i^* с датчиков 3 и 4 соответственно, а выход соединен с первым входом сумматора 5, выходом соединенного с входом регулятора 6, выход которого соединен с вторым инверсным входом сумматора 5 и является первым выходом системы по сигналу подачи топлива, входы функциональных блоков 7-18 соединены с выходом датчика 19 числа оборотов компрессора высокого давления, а их выходы соединены с первым и входами умножителей 20-31 соответственно, выход датчика _руд 1 соединен с входом задающего устройства 32, первый выход которого соединен с первым входом сумматора 33, а второй выход - с первым входом сумматора 34, выход датчика числа оборотов компрессора низкого давления 35 соединен с входом дифференциатора 36, выход которого соединен с вторыми входами умножителей 20 и 26, выход датчика 37 соединен с вторым инверсным входом сумматора 33 и с входом дифференцииатора 36, выход которого соединен с вторыми входами умножителей 21 и 27, выход датчика числа оборотов заднего винта 39 соединен с вторым инверсным входом сумматора 34 и с входом дифференциатора 40, выход которого соединен с вторыми входами умножителей 22 и 28, третий, четвертый, пятый, шестой или седьмой инверсные входы сумматора 33 связаны с выходами умножителей 20-24 соответственно, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой инверсные входы сумматора 34 соединены с выходами умножителей 26-30 соответственно, выход сумматора 33 соединен с вторым входом умножителя 25, выход которого соединен с вторым входом умножителя 30 и входом интегратора 41, выход которого является вторым выходом системы по углу поворота лопастей переднего винта, выход сумматора 34 соединен с вторым входом умножителей 31, выход которого соединен с вторым входом умножителя 24 и с входом интегратора 42, выход которого является третьим выходом системы по сигналу угла поворота лопастей заднего винта, выход датчика 43 расхода топлива соединен с входом дифференциатора 44, выход которого соединен с вторыми входами умножителей 23 и 29.

Система работает следующим образом.

При работе двигателя в зависимости от величины Р_i^* и Т_i^*, поступающих с датчиков 3 и 4, а также положения рычага управления двигателя в программном задающем устройстве 2 и задающем устройстве 32 формируются величины заданного расхода топлива G_т^зад, заданного числа оборотов переднего воздушного винта n_п^зад и заданного числа оборотов заднего воздушного винта n_з^зад.

Сигнал G_т^зад, поступая на первый вход первого сумматора 5, сравнивается с текущей величиной G_т, поступающей с выхода регулятора G_т6 и являющейся первым управляющим сигналом систем. Таким образом, величина ошибки рассогласования е = G^зад - G_т стремится к 0.

Величина n_п^зад, поступая на первый вход второго сумматора 33 сравнивается с величиной n_п, поступающей с датчика 37, формируя сигнал е₁ = n_п^зад - n_п. Из полученного сигнала е₁ вычитается величина, поступающая на третий инверсный вход сумматора 33 с выхода первого умножителя 20, где производится умножение величины К₁₁, поступающей с выхода функционального преобразователя 7, и n₁, поступающей с выхода первого дифференциатора 1. Из полученной величины n_п^зад - n_п - К₁₁n₁вычитается величина, поступающая на четвертый инверсный вход сумматора 33 с выхода блока 21, где производится умножение величины К₁₂, поступающей с выхода функционального преобразователя 8 и n_п, поступающей с выхода дифференциатора 38. Из полученной величины n_п^зад - n_п - К₁₁n₁ - K₁₂n_п вычитается величина, поступающая на пятый инверсный вход сумматора 33 с выхода блока 22, где производится умножение величины К₁₃, поступающей с выхода функционального преобразователя 9, и n₃, поступающей с выхода дифференциатора 40. Из полученной величины n_п^зад - n_п - К₁₁n₁ - К₁₂n_п - К₁₃n₃ вычитается величина, поступающая на шестой инверсный вход сумматора 33 с выхода блока 23, где производится умножение величины К₁₄, поступающей с выхода функционального преобразователя 10, и G_т, поступающей с выхода дифференциатора 44. Из полученной величины n_п^зад - n_п - K₁₁n₁ - K₁₂n_п - К₁₃n₃ - K₁₄G_твычитается величина, поступающая на седьмой инверсный вход сумматора 33 с выхода блока 24, где производится умножение величин К₁₅, поступающей с выхода функционального блока 11, и ₃, поступающей с выхода блока 31. Далее полученная величина n_п^зад - n_п - K₁₁n₁ - K₁₂n_п - К₁₃n₃ -К₁₄G_т - К_15з с выхода сумматора 33, поступая на второй вход блока 25, умножается на величину К₁₆, поступающую с выхода функционального блока 12. По- лученная величина _п = (n_п^зад - n_п - К₁₁n₁ - K₁₂n_п - К₁₃n_з - К₁₄G_т - К_15з)К₁₆ интегрируется в интеграторе 41 и величина _п является вторым управляющим выходом системы по углу установки лопастей переднего воздушного винта. Величина n_п^зад, поступая на первый вход третьего сумматора 34, сравнивается с величиной n₃, поступающей с датчика 39, формируя сигнал е₂ = n_з^зад - n_з. Из по- лученного сигнала е₂ вычитается величина, поступающая на третий инверсный вход сумматора 34 с выхода блока 26, где производится умножение величин К₂₁, поступающей с выхода функционального преобразователя 13, и n₁, поступающей с выхода первого дифференциатора 1. Из полученной величины n_з^зад - n_з - К₂₁n₁ вычитается величина, поступающая на четвертый вход сумматора 34 с выхода блока 27, где производится умножение величины К₂₂, поступающей с выхода функционального преобразователя 14, и n_п, поступающей с выхода дифференциатора 38. Из полученной величины n_з^зад - n_з - К₂₁n₁ - K₂₂n_пвычитается величина, поступающая на пятый инверсный вход сумматора 34 с выхода блока 28, где производится умножение величины К₂₃, поступающей с выхода функционального преобразователя 15, и n_з, поступающей с выхода дифференциатора 40. Из полученной величины n_з^зад - n_з - К₂₁n₁ К₂₂n_п - K₂₃n_з вычитается величина, поступающая на шестой инверсный вход сумматора 34 с выхода блока 29, где производится умножение величины К₂₄, поступающей с выхода функционального преобразователя 16, и G_т, поступающей с выхода дифференциатора 44. Из полученной величины n_з^зад - n_з - К₂₁n₁ - K₂₂n_п - К₂₃n_з - K₂₄G_т вычитается величина, поступающая на седьмой инверсный вход сумматора 34 с выхода блока умножения 30, где производится умножение величины К₂₅, поступающей с выхода функционального блока 17, и _п, поступающей с выхода блока 25. Далее полученная величина n_з^зад - n_з - К₂₁n₁ - K₂₂n_п - К₂₃n_з - К₂₄G_т - К_25п с выхода сумматора 34, поступая на второй вход блока 31, умножается на величину К₂₆, поступающую с выхода функционального блока 18. Полученная величина _з = (n_з^зад - n_з - К₂₁n₁ - K₂₂n_п - К₂₃n_з - К₂₄G_т - K_25п)К₂₆интегрируется в интеграторе 42 и величина _з является третьим управляющим выходом системы по углу установки лопастей заднего воздушного винта.

Формула изобретения

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМИ ВИНТАМИ ТУРБОВИНТОВЕНТИЛЯТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ, содержащая последовательно соединенные датчик положения рычага управления двигателем, программное задающее устройство, первый сумматор и регулятор подачи топлива, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора и является первым выходом системы по сигналу подачи топлива, последовательно соединенные задающее устройство, вход которого соединен с выходом датчика положения рычага управления двигателем, второй сумматор и регулятор частоты вращения переднего винта, выход которого является вторым выходом системы по сигналу угла поворота лопастей переднего винта, датчик числа оборотов переднего винта, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, последовательно соединенные с вторым выходом задающего устройства третий сумматор и регулятор частоты вращения заднего винта, выход которого является третьим выходом системы по сигналу угла поворота лопастей заднего винта, датчик числа оборотов заднего винта, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, датчик температуры на входе в компрессор низкого давления и датчик давления на входе в компрессор низкого давления, выходы которых соединены соответственно с вторым и третьим входами программного задающего устройства, отличающаяся тем, что, с целью повышения динамической точности регулирования турбовинтовентиляторного двигателя с соосными винтами на переходных и установившихся режимах работы, в нее введены датчик числа оборотов компрессора низкого давления, датчик числа оборотов компрессора высокого давления, датчик расхода топлива, четыре дифференциатора, а регуляторы частот вращения переднего и заднего винтов выполнены в виде двенадцати умножителей, двух интеграторов и двенадцати функциональных преобразователей, причем выход датчика числа оборотов компрессора высокого давления соединен с входами первого - двенадцатого функциональных преобразователей, выходы которых соединены с первыми входами первого - двенадцатого умножителей соответственно, третий - седьмой входы второго сумматора соединены с выходами первого - пятого умножителей, а его выход соединен с вторым входом шестого умножителя, выход которого соединен с входом первого интегратора, третий - седьмой входы третьего сумматора соединены соответственно с выходами седьмого - одиннадцатого умножителей, а его выход соединен с вторым входом двенадцатого умножителя, выход которого соединен с входом второго интегратора, входы первого, второго, третьего и четвертого дифференциаторов соединены соответственно с выходами датчика частоты вращения, компрессора низкого давления, датчика частоты вращения переднего винта, датчика частоты вращения заднего винта и датчика расхода топлива, выходы первого - четвертого дифференциаторов соединены с вторыми входами соответственно первого и седьмого, второго и восьмого, третьего и девятого, четвертого и десятого умножителей, выход шестого умножителя соединен с вторым входом одиннадцатого умножителя, а выход двенадцатого умножителя соединен с вторым входом пятого умножителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7