Программы регулирования турбовинтовых двигателей (ТВД)

Регулирующими факторами (РФ) являются:

§ G_т (расход топлива в камеру сгорания);

§ φ_в [ угол установки (шаг) винта].

А в качестве основного (РП) выбирается (n_винта), т.к. в основном тяга ТВД образуется за счет тяги воздушного винта – примерно 95%, поэтому основная задача регулирования газогенератора ТВД сводится к обеспечению оптимального режима работы воздушного винта. Для этого, на всех режимах работы двигателя и при любых полетных условиях достаточно поддерживать определенную частоту вращения, подобранную для данного винта, тогда программа регулирования будет выглядеть так: - (n_винта=const).

Выбор второго (РП) определяется схемой ТВД:

- Одновальный(в основном отечественные двигатели).

Постоянство частоты вращения винта (n_винта=const) при одновальной схеме обеспечивается за счет поддержания постоянства частоты вращения ТК контура (n_тк=const), поэтому (n_тк) выбирается в качестве основного (РП). А в качестве второго (РП) выбирается (Т_г^*). Тогда программа регулирования будет иметь вид:

При этом (РФ) могут быть как (G_т и φ_в), так (φ_в и G_т) соответственно, причем последний вариант, когда (РФ) для (n_тк) является (φ_в), а для (Т_г^*) → (G_т) является более предпочтительный. Например (замкнутая САР): при ↑(Т_г^*) → регулятор(n) → ↓(G_т), соответственно, ↓(n_тк), в тоже время регулятор(φ_в) → ↓(φ_в) тем самым ↑( n_тк), до тех пор, пока (n_тк=n_{тк зад}).

P.S. Работа обоих регуляторов координируется механизмом объединенного управления (МОУ). Но, технически осуществить такую САР замкнутой сложно. Наиболее распространенная схема САР – разомкнутая. Используется (АДТ), при этом регулятор(n) поддерживает (n_тк=const) на всех режимах, а отклонения (Т_г^*) компенсируется изменением подачи топлива (G_т).

На максимальном режиме программа регулирования будет иметь вид, соответственно:

При реализации такой программы регулирования мощность винта (N_в) будет зависеть от условий полета, т.е. от (p₁^* и Т₁^*), так, при ↑(V_п) и ↓(Н_п) → располагаемая (N_в)↑ и может достигнуть предельной по условиям прочности редуктора. В связи с этим у так называемых высотных ТВД (предназначенных для средних и больших высот полета - Н_п>6км) выполняется программа регулирования (N_{в max}=const). Ограничение (N_{в max}) осуществляется снижением (Т_г^*) за счет ↓(G_т), при (n_тк=const). Путем ↓(φ_в), облегчается (ВВ), предотвращая тем самым ↓(n_тк) при ↓(G_т).

Поэтому для высотных ТВД программа регулирования зависит от (Н_п) и в зависимости от высоты полета будет иметь вид:

- при (Н<Н_расч) программа:

- при (Н>Н_расч) программа (на всех отечественных ТВД: НК-12, АИ-20, АИ-24):

Оптимальная программа дросселирования в общем случае требует снижения как (n_тк), так и (Т_г^*) в зависимости от перемещения РУД. Это достигается за счет уменьшения подачи топлива (G_т) при одновременном уменьшении угла установки (шага) винта (φ_в). Однако, на большинстве ТВД для упрощения схемы регулирования следующая программа регулирования при дросселировании:

При ↓(N_дв) за счет ↓(G_т) и, соответственно, ↓(Т_г^*), частота вращения ТК (n_{тк max}) остается постоянной путем ↓(φ_в), вплоть до (φ_в=min). Подобная программа дросселирования обеспечивает большой запас устойчивости компрессора (∆К_у) на пониженных режимах, что может быть использовано для улучшения приемистости ТВД (т.к. ↑(N_дв) осуществляется без раскрутки ротора и поэтому время приемистости (τ_прием) определяется только скоростью поворота лопастей винта и быстродействием топливной аппаратуры;

- Двухвальные ТВД (зарубежные).

При двухкаскадной (так еще называют эти двигатели в соответствии с ГОСТом) схеме компрессора винт приводится во вращение от (ТНД), так называемой ″свободной турбины″. Такие ТВД могут иметь изменяемую и неизменяемую геометрию ГВТ, при этом механизация компрессора имеет такое же назначение, что и у ТРД. В качестве (РП) выбираются (n_тк) и (n_винта), соответственно, (РФ) → (G_т) и (φ_в), а (Т_г^*) – ограничиваемая величина.

На максимальном режиме программа регулирования имеет вид:

При этом, (Т_г^*) ограничивается (Т_г^*<Т_г^* _max), а изменение углов установки НА (α_на), также как в ТРД, используется для обеспечения необходимого запаса устойчивости компрессора (∆К_у).

Если ТВД высотный, то у него, как и одновального ТВД предусматривается ограничение (N_дв) на Н_п< Н_{п расч} → (n_тк)↓ за счет уменьшения подачи топлива (G_т), при этом (n_винта=const).

При дросселировании, снижение мощности двигателя(N_дв) достигается одновременным уменьшением (n_винта) и (Т_г^*). Но, на практике чаще реализуется более простая программа дросселирования, при которой ↓(Т_г^*) достигается за счет ↓(G_т), а поддержание постоянным частоты вращения винта (n_винта=const) за счет изменения шага винта (φ_в). Т.е, ограничение (N_дв) при сохранении (n_винта=const) удобно тем, что (М_кр) на валу будет пропорционален (N_дв). А (М_кр) может быть непосредственно измерен. Устройства, служащие для этой цели называют (ИКМ) – измерители крутящего момента. И регулирование по величине (М_кр) является ограничительным регулированием. При достижении предельно допустимого значения крутящего момента (М_кр) сигнал от (ИКМ) вызывает уменьшение подачи топлива (G_т).

Вывод: Особенностью двухвального ТВД является практическая независимость режима работы ТК, определяемого параметрами (n_тк) и (Т_г^*) от скорости вращения винта (n_винта), что позволяет при неизменном режиме работы ТК изменять режим работы винта. Это делает весьма выгодным применение двухвального ТВД для вертолетов, для которых необходимо обеспечить возможность сколь угодно быстрого изменения угла установки (шага) винта (φ_в).