Особенности регулирования вертолетных турбовальных двигателей

 

Рис. 5.6. Примерная программа регулирования вертолетного ТВаД в широком диапазоне изменения aРШГ

У современных турбовальных ГТД со свободной турбиной угол установки лопастей несущего винта j_н.в и частота вращения его ротора n _н.в практически не влияют на характеристики газогенератора. Это справедливо для двигателей с нерегулируемыми компрессорами или в случаях, когда компрессор ГГ регулируется только в зависимости от приведенной частоты вращения ротора ГГ , а турбина ГГ является «запертой» сопловым аппаратом первой ступени свободной турбины, который выполняет роль дросселя с неизменной площадью проходного сечения. При этих условиях режим работы ГГ задается только одним управляющим фактором – расходом топлива G _т и, следовательно, его САУ является однопараметрической.

Типовая программа управления вертолетного ТВаД в зависимости от угла установки рычага управления (в данном случае – рычага «шаг–газ» a_РШГ) представлена на рис. 5.6. В основном эксплуатационном диапазоне режимов работы двигателя (от a₂ до a₃) программа обеспечивает постоянство частоты вращения свободной турбины n _с.т = const. При пилотировании вертолета летчик с целью регулирования тяги несущего винта изменяет угол установки (шаг) его лопастей, а в соответствии с этим САУ ГГ изменяет подачу топлива (газ) двигателя. При увеличении G _т возрастают n _т.к, , параметры газа перед свободной турбиной и повышается мощность на валу свободной турбины, которая через трансмиссию передается несущему и рулевому винтам. Такая система управления получила наименование «шаг-газ».

Условие поддержания n_с.т = const диктуется требованиями безопасности полетов и удобства пилотирования. Это связано с тем, что при

n_с.т = const обеспечивается возможность быстрого увеличения тяги несущего винта, т.к. не требуются затраты времени на раскрутку несущего винта, имеющего очень большой момент инерции. И только на пониженных режимах, когда несущий винт становится на упор минимального шага (при a₂, см. рис. 5.6) n _с.т начинает снижаться и n _т.к тоже уменьшается – вплоть до режима МГ (при a = a₁).

Рис. 5.7. Зависимость параметров ТВаД со свободной турбинной от загрузки несущего винта

На рис. 5.7 представлена зависимость параметров двигателя (в диапазоне изменения a от a₂ до a₃) от угла установки несущего винта j_н.в. Ее принято называть нагрузочной характеристикой несущего винта.

При увеличении, например, j_н.в нарушается баланс потребной и располагаемой мощностей на выходном валу, что приводит к снижению частоты вращения свободной турбины n _с.т. Входящий в состав САУ двигателя регулятор частоты вращения несущего винта реагирует на снижение n _с.т увеличением подачи топлива в камеру сгорания G _т. При этом ГГ переходит на повышенный режим работы, характеризуемый более высокими значениями параметров рабочего процесса n _т.к, n _т.к.пр,  и мощности N_е (рис. 5.7). Происходит восстановление баланса мощностей, что приводит к восстановлению заданной частоты вращения свободной турбины.

Существует режим максимальной загрузки несущего винта j _н.в.max (при n _с.т = const), который характеризуется тем, что один из ограничиваемых параметров двигателя достигает предельно допустимой величины по условиям надежной работы двигателя. Тогда соблюдение условия n _с.т = const при дальнейшем увеличении j_н.в становится невозможным. При дальнейшей загрузке несущего винта в области j_н.в > j_н.в.max вступает в действие ограничитель, блокирующий работу регулятора n _с.т = const, и начинает осуществляться подача топлива из условия поддержания неизменного значения ограничиваемого параметра. Тогда n _с.т начинает падать. Но если система управления ГГ является однопараметрической, то поддержание в области j _н.в > j _н.в.max постоянства одного из ограничиваемых параметров (при Т_Н = const) обеспечивает неизменность остальных его параметров, а мощность N _е меняется незначительно (только в соответствии с изменением КПД свободной турбины h_с.т).

Рассмотрим, какие параметры могут приниматься за параметры ограничения. Как и в других типах ГТД, ограничение может назначаться по = ; n _т.к = n _т.к.max; n _т.к.пр = n _{т.к.пр.max}. Первые два ограничения обусловлены условиями прочности, а третье – газодинамической устойчивостью компрессора.

Помимо указанных общепринятых для всех типов ГТД ограничений, у турбовального ГТД имеется еще одно специфическое ограничение: по максимальной мощности на валу двигателя N_е = N_{е max}. Поясним смысл этого ограничения.

Для турбовальных ГТД характерно уменьшение располагаемой мощности N_e с увеличением высоты полета. А мощность, потребная для полета вертолета, с высотой полета возрастает. Поэтому для обеспечения полета вертолетов с полной полезной нагрузкой на требуемых высотах приходится устанавливать на них более мощные двигатели, чем это требуется для полета при Н = 0. Тогда на высотах, меньших расчетной, двигатель обладает значительным избытком мощности. Этот избыток мощности является излишним – он не может быть использован для улучшения летных характеристик вертолета. Но выход двигателя при Н < Н _р на эти повышенные мощности недопустим, так как представляет опасность для прочности самого двигателя, редуктора и трансмиссии, которые в целях снижения массы редуктора и трансмиссии вертолета рассчитываются на N_{е max} = N_{е р}. Поэтому у вертолетных ГТД в качестве ограничиваемой величины принимают максимальную мощность на валу двигателя N_{е max} при Н = Н_р, а на высотах полета, меньших расчетной, и в любых других условиях вводят в качестве ограничения по прочности требование N_е £ N_{е max}.

Для того чтобы выяснить, какой из перечисленных ограничиваемых параметров достигает предельного значения при конкретных величинах температуры Т_Н и давления р_Н, рассмотрим работу двигателя на режимах ограничения, включая режим максимальной загрузки несущего винта.