регулирование двигателя

Рис. 1. Силовая установка с ТРДДФ для сверхзвукового самолёта.

регули́рование дви́гателя — процесс поддержания постоянства или преднамеренного изменения режима работы двигателя. Требуемые для полёта летательного аппарата значения тяги двигателя, надёжная и устойчивая работа силовой установки во всём диапазоне изменения условий эксплуатации обеспечиваются при соответствующем Р. д., которое осуществляется системой автоматического регулирования (САР). Она устанавливает и поддерживает определенные связи между параметрами двигателя (законы регулирования), что позволяет свести задачу управления режимами работы двигателя к изменению только одного параметра — угла установки рычага управления двигателем. Законы регулирования формируются с учётом требований к тяге и удельному расходу топлива, ограничений по прочности, необходимой точности поддержания параметров и других факторов. С учётом непрерывного роста требований к лётно-техническим характеристикам летательного аппарата Р. д. должно рассматриваться как часть единой комплексной задачи оптимального управления силовой установкой и летательным аппаратом в целом, целью которой могут быть минимизация расхода топлива на всех участках полёта, экономия ресурса двигателей (например, взлёт недогруженного самолёта на пониженных режимах работы двигателя), наилучшее согласование работы двигателя и сверхзвукового воздухозаборника и т. д. В наиболее полном объёме функции оптимального управления системой «летательный аппарат — силовая установка» можно осуществить при использовании бортовых цифровых вычислительных машин. Примером сложного объекта регулирования является современная силовая установка с турбореактивным двухконтурным двигателем с форсажной камерой, предназначенная для сверхзвукового самолёта, в которой САР управляет расходами топлива в основной и форсажной камерах сгорания, створками до- и сверхзвуковой части реактивного сопла, углами установки регулируемых направляющих аппаратов вентилятора и компрессора, положением регулируемых поверхностей торможения воздухозаборника (панелей клина) и створок перепуска воздухозаборника и другими элементами (рис. 1).

Авиационные двигатели эксплуатируются на различных режимах. Для форсированных двигателей (турбореактивный двигатель с форсажной камерой, турбореактивный двухконтурный двигатель с форсажной камерой) наиболее важными являются режимы полного и частичного форсирования двигателей, максимальный, номинальный и крейсерский режимы, режим малого газа. К наиболее напряжённым относится режим полного форсирования, на котором в заданных условиях полёта реализуется максимальная тяга P_ф max.

Оптимальные значения T_г^* (температуры газа перед турбиной), T_ф^* (температуры газа на выходе из форсажной камеры), площади критического сечения сопла и других параметров, соответствующие условию P_ф = P_ф max определяются из анализа тяговых характеристик с учётом ограничений, связанных с допустимой теплонапряжённостью и необходимой прочностью конструкции двигателя, возможными пределами регулирования, запасами устойчивой работы вентилятора и компрессора и другими факторами. Полученные в результате этого теоретические условия, связывающие параметры рабочего процесса двигателя со скоростью и высотой полёта, САР реализует, управляя другими параметрами, косвенно связанными с T_г^*, T_ф^*, G_в (расходом воздуха через двигатель), но более удобно или точно измеряемыми. Так, расход топлива G_т в основной камере сгорания обычно определяется частотой вращения (физической или приведённой к стандартным атмосферным условиям) какого-либо ротора. Для управления створками сопла турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой можно воспользоваться такими параметрами, как π_т^*_Σ (суммарная степень понижения давления в турбине), π_в^* (степень повышения давления в вентиляторе), отношением статического давления к полному давлению потока воздуха (р/р*) в канале наружного контура и др. Расход форсажного топлива часто связывается с давлением воздуха в каком-либо характерном сечении тракта двигателя, например в сечении за компрессором. Выбранные параметры выдерживаются САР в соответствии с программами, предусмотренными для типичных условий полёта. В качестве примера на рис. 2 приведены зависимости, необходимые для реализации программы регулирования двухвального турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой при P_ф = P_ф max. На этом режиме работы САР поддерживает значения регулируемых параметров — частоту вращения роторов вентилятора (n_в) или компрессора (n_к), отношение расхода форсажного топлива к давлению воздуха за компрессором (G_т.ф/p_к), суммарную степень понижения давления в турбине (π_т^*_Σ) — в соответствии с температурой торможения воздуха Т_н^* на входе в двигатель. На графике зависимости Т_г^* от Т_н^*/288 можно выделить четыре участка:
1) ограничение приведенной частоты вращения вентилятора _в = const в условиях полёта с пониженной температурой воздуха на входе в двигатель (Т_н^* < 288 К);
2) поддержание _в = const, что соответствует росту Т_г^* при увеличении Т_н^* и способствует лучшему протеканию тяговых характеристик по скорости полёта;
3) ограничение частоты вращения ротора компрессора значением _к max = 1,015, что сопровождается слабым ростом Т_г^* при увеличении Т_н^*;
4) понижение _к при соответствующем уменьшении Т_г^* в связи с ограниченной механической прочностью турбины.

Важное практическое значение имеет точность регулирования авиационных газотурбинных двигателей, которую можно характеризовать значениями возможных отклонений тяги от номинальных значений, вероятностью возникновения недопустимых увеличений частоты вращения и температуры газа, степенью согласованности работы всех элементов силовой установки. Точность регулирования зависит не только от присущих конкретным САР погрешностей выполнения программ, но и от выбора закона управления. См. также статью Система автоматического управления ГТД.

Литература:
Теория автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов. Управление ВРД, под ред. А. А. Шевякова, М., 1976;
Югов О. К., Селиванов О. Д., Дружинин Л. Н., Оптимальное управление силовой установкой самолёта, М., 1979;
Черкасов Б. А., Автоматика и регулирование воздушно-реактивных двигателей, 3-е изд., М., 1988.

Л. Н. Дружинин.

Рис. 2. Зависимости, необходимые для реализации программы регулирования ТРДДФ.