Выбор и исследование структуры построения резервной САУ авиационных ГТД, оптимальной по объему выполняемых функций

Очевидно, что двигателестроение играет ключевую роль в развитии авиации, обеспечении национальной безопасности, поддержании экономики страны. Благодаря целенаправленной политике, которая традиционно проводилась в России, наша страна входит в число четырех стран мира (наряду с Великобританией, США и Францией), владеющих полным циклом разработки' и производства авиационных двигателей для летательных аппаратов всех типов и назначений.

Работа любого современного авиационного двигателя невозможна без его всесторонней автоматизации. Системы автоматики газотурбинных двигателей5 (ГТД) выполняют большое число функций, решают ряд задач, связанных, с получением требуемых характеристик двигателя, уменьшением его массы, повышением надежности, ресурса, экономичности. Решению вопросов, связанных с разработкой? систем* автоматического управления (САУ), посвящены работы Б. А. Черкасова,. С. А. Сиротина, A.A. Шевякова, О. С. Гуревича, А. Н. Добрынина, значительный вклад в областипрактических научно технических разработок внесли Ф. А. Короткое, В. И. Зазулов, А. Ф. Полянский, Ю. П. Дудкин, A.C. Бокарев, Ю.С. АгронскийД.МСегаль.

Для современных. ГТД и их системуправления характерно одновременное регулирование нескольких выходных параметров, широкий диапазон изменения динамических свойств ГТД, как объектов управления, изменение в процессе функционирования: качественного и количественного состава: подсистем управления, наличие в системахуправления нелинейных элементов.

При достигнутом в настоящее время высоком уровне параметров рабочего процесса авиационных ГТД дальнейшее улучшение характеристик силовых установок (СУ) ГТД связано с поиском новых путей как в направлении совершенствования рабочего процесса, схем, конструкции, материалов, так и в управлении СУ, при котором управление рабочим процессом в отдельных ее элементах (двигателе, воздухозаборнике, многофункциональном сопле) и силовой установке в целом, ставится в зависимость от управления самолетом или использования установленного на нем оборудования, режима или этапа полета [7].

В этом случае САУ вместо заранее определенных и неизменных свойств должна иметь гибкие характеристики, видоизменяемые в полете методами" и средствами управления в соответствии с требованиями конкретных условий и режимов применения самолета.

Такой подход может стать особенно эффективным при управлении силовой установкой современного многорежимного, самолета, к характеристикам которого на отдельных этапах полета предъявляются различные, часто трудно совместимые требования.

Анализ состояния и тенденций развития САУ ГТД показывает, что кардинальное улучшение в этом направленииможет быть достигнуто только при применении электронно-цифровых систем регулирования. Гидромеханическая часть САУ должна быть существенно упрощена, а все основные функции управления должны обеспечиваться электронной частью системы. Это позволяет использовать гибкое интегрированное управление силовой установкой, предусматривающее управление рабочим процессом, выбираемое в полете, в зависимости от окружающих условий и режима применения самолета, а также осуществить дифференцированный подход к использованию предельных характеристик двигателя.

В настоящее время на значительной части двигателей, производимых в России, установлены морально устаревшие гидромеханические и супервизорные системы регулирования, которые неудовлетворяют требованиям, диктуемым современным уровнем развития техники. Электронные регуляторы при этом выполняют лишь небольшойобъем функций, связанных с ограничением предельных параметров двигателя, и не могут обеспечить, заданного: качества регулирования. Современные САУ ГТД являются в большинстве случаев гибридными системами, состоящими из гидромеханических, электронных и пневматических устройств. В качестве примера можно привести САУ-32 (двигатель НК-32, устанавливается на самолетах дальней стратегической авиации), САУ-59 (двигатель РД-ЗЗК, устанавливается на самолете МиГ.

29К) и некоторые другие системы. Эти системы были разработаны в 70−80х годах и со времени передачи их в серийное производство не подвергались существенной модернизации, хотя и проводились отдельные работы по улучшению их характеристик. Это обусловлено тем, что во время их разработки: не было реальных альтернатив гидромеханическим системам, в том числе приемлемых решений в области электронной техники и технологии, позволяющих построить САУ,. обладающие необходимым качеством и надежностью.

Хотя гидромеханические САУ достигли значительной степени совершенства, им присущ ряд серьезных недостатков. В первую очередь это их высокая сложность и стоимость, значительный вес и трудность реализации требуемых законов управления двигателем. Гидромеханические САУ включают в себя чрезвычайно сложные агрегаты. Так, например, для реализации 95 функций? управления турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой (ТРДДФ) IV-ro поколения требуется около 100 прецизионных пар, 6500 деталей. Цикл разработкитаких систем составляет до 5 лет [1].

На современных зарубежных двигателях практически? не используются сложные гидромеханические регуляторы, реализациявыбранных законов и программ обеспечивается электронными регуляторами. Роль гидромеханических агрегатов сводится к обеспечению подачи топлива в двигатель и силовые гидроцилиндры его механизации и обеспечению резервных функций управления.

В настоящее время в России* осуществляется переход к созданию электронных САУ авиационных двигателей (АД) типа FADEC (Full Authority Digital Electronic Control system), т. е. к так называемым «системам с полной ответственностью», системам в которых электроника осуществляет управление двигателем на всех этапах и режимах полета.,.

В России системы этого типа разрабатываются для модификаций двигателей А/1−31Ф («99» изделие),.ПС-90 и ряда других изделий.

Переход от гидромеханических систем управления и регулирования двигателем к электронным системам требует проведения ряда теоретических исследований и решения: комплекса технических и технологических задач. Прежде всего, это вопросы выбора оптимальной концепции САУ, интеграции систем управления самолетом и двигателем в единую систему, обеспечения необходимых показателей надежности системызадачи разработки соответствующего математического обеспечения и необходимой элементной базы.

Так, например, в связи с событиями, произошедшими в России в течение последних 15 лет, на сегодняшний день практически нет элементной базы для электронных регуляторов, сколь либо сопоставимой по характеристикам с зарубежными аналогами.

В сложившейся ситуации фирмы, занимающиеся разработкой систем автоматического управления и регулирования АД, идут по пути приобретения элементной базы зарубежом и построение САУ на ее основе.

В настоящее время разрабатывается ряд электронных регуляторов на основе импортной элементной базы с процессорами Intel 80С196КС и Motorolla MG-68 332 для наземного и летного примененияЭти электронные регуляторы построены полностью на импортной элементной базе и включает в себя микросхемы таких фирм" как Intel, Hewlet Packard, Analog Devices, Burr-Brown, Linear Technology, Texas Instrument, Maxim и. прочих, такие регуляторы в состоянии обеспечить требуемый уровень надежности САУ для многомоторного грузопассажирского самолета.

Следует отметить, что в связи с более динамичным развитием электроники и информационных технологий за рубежомряд фирм, занимающихся изготовлением САУ АД, рассматривал вопрос перехода к системам типа FADEC в середине 80-х годов. Некоторые аспекты этого вопроса и проблематики, связанной с ним, были изложены в работах [64], [65], [66]. Тем не менее, в них приведены, только общие положения, указаны основные преимущества электронно-цифровых САУ. Проблемы, возникающие. при переходе к электронным системампути их решения и более конкретные вопросы, связанные с обеспечением требуемых параметров САУ, рассмотрены не были.

При разработке САУ АД значительную роль играют не только основные рабочие параметры системы (такие, например, как реализуемые системой законы управления, статические и динамические характеристики, устойчивость САУ), но и ее надежность, масса, стоимость, ресурс, удобство эксплуатации и ряд других факторов.

На сегодняшний день одной из: наиболее острых для САУ АД, построенных на базе: электронных цифровых систем, является задача обеспечения необходимого уровня надежности. Это, прежде всего, обусловлено недостаточным опытом разработки и эксплуатации подобных систем.

Электронно-цифровая САУ имеет ряд существенных преимуществ перед гидромеханической, но у нее имеются исерьезные недостатки. Одним из основных является низкая: помехозащищенность, особенно в условиях воздействиясильных электромагнитных и радиационных полей. Обеспечение надежного экранирования при минимальном увеличении массы системы является сложной технической задачей. Даже при ее успешном решении. существует вероятность возникновения электромагнитной обстановки, в условиях которой защитные свойства экрана окажутся недостаточными.

Электронная САУ авиационного ГТД типа РАйЕС осуществляет управление и регулирование: работы двигателя на всех: режимах работы и во всех уеловиях полета. В связи с этим даже кратковременный отказ электронного цифрового регулятора (ЭЦР), в результате которого может произойти, например провал тяги в условиях взлета или посадки: приведет к потере машины. Таким образомодним из определяющих требований предъявляемых к САУ является надежность. Это диктует необходимость обеспечения нового уровня надежности при переходе к электронно-цифровым САУ типа РАРЕС по отношению к уровню, достигнутому при использовании гидромеханических САУ.

Существует несколько направлений решения данной задачи:

— повышение надежностисистемы за счет увеличения надежности элементной базы, (применение импортной элементной базы);

— совершенствование алгоритмов управления (многосвязность управления, встроенная модель двигателя, реконфигурация при отказах) — - организация структуры, системы направленной на обеспечение заданного уровня надежности.

На сегодняшний день основными методами повышения схемно-консгруктивной надежности: системы является создание дублирующих каналов управления в электронном регуляторе и резервныхсистем управления.

Отсутствие научно обоснованных методик выбора структуры построения резервной САУ (рСАУ) приводит к тому, что при разработке систем типа ЯАЭЕС вопросы определениянеобходимости резерва, выбора объектов и схемы резервирования решаются на основе личного опыта и предпочтений конструктора.

Следует отметить, что вопрос создания резерва для электронно-цифровых САУ типа РАРЕС является новым для отечественного авиоагрегатостроения и, прежде всего, сводится к определению необходимого объема и состава функций резервной системы, ее структурного вида. При этом разрабатываемая резервная система должна обеспечивать выполнение функций, достаточных для работы двигателя на требуемом режиме. Требования к резерву определяются типом самолета, числом установленных на нем двигателей, характеристиками двигателей и рядом других факторов. Некоторые из них взаимно противоречивы. Вопрос выбора структуры построения рСАУ АД является сложной многофакторной задачей, решение которой необходимо для дальнейшего развития отечественного агрегатостроенияи обеспечения конкурентоспособности продукции на мировом рынке.

Предлагаемая работа призвана обобщить и систематизировать имеющийся опыт, выявить перспективную концепцию и основные требования, предъявляемые к САУ, дать рекомендации для разработки резервных систем.

Разработка научно обоснованной методики создания резервных САР оптимальных с точки зрения объема выполняемых функций позволит снизить массу и стоимость, повысить надежность, улучшить основные характеристики рСАУ.

Ключевым моментом, позволяющим сократить сроки разработки САУ, снизить ее стоимость и повысить надежность является вопрос создания базовой унифицированной рСАУ.

Предлагаемая методика построения резервной системы регулирования может быть использована предприятиями-изготовителями авиационных-двигателей и предприятиями, занимающимися: разработкойсистем автоматического управления и регулирования АД.

В ходе работы рассмотрены основные аспекты, определяющие выбор структуры резервнойСАУразработан подход к созданию резервной САУ авиационного ГТД, оптимальной по объему выполняемых функций.

Для достижения поставленной целитребовалось решить следующие задач и:

1. Провести анализ современной концепции построения резерва. Определить требования, предъявляемые к рСАУ АД в зависимости от типа самолета и числа установленных на нем двигателей;

2. Исследовать вопросы выбора программ и законов регулирования в резерве.

3. Разработать методику создания резервных САР, оптимальных по объему выполняемых функций.

4. Определить алгоритм создания принципиальной схемы САУ заданного показателя надежности.

5. Разработать комплексный критерийоценки рСАУ, позволяющий дать обобщенную оценку системы и провести сравнительный анализ различных схемно-конструктивных вариантов рСАУ.

При рассмотрениирСАУ АД нельзя ограничиваться только положениями теории вероятностей и математической статистики. Резервная система является одной из подсистем, обеспечивающих работу двигателя, который в свою очередь является одной из основных систем самолета. Таким образом, решение задачи обеспечения необходимого уровня надежности САУ типа РАРЕС требует системного подхода, построенного на базе положений теории надежности, теории ВРД, и теории автоматического регулирования. В работе использованы> положения теории ВРД, теорииавтоматического регулирования и теории надежности, а также методы математической статистики, теории вероятностей, элементы регрессионного анализа.

Экспериментальные исследования проводились с использованием-математических моделей двигателя и регулятора, а также результатов натурных испытаний САУ-235С на изделии «99».

В диссертационнойработе проведен анализ, современной концепции построения резерварассмотрены требования, предъявляемые к рСАУ АД в зависимости от типа: самолета и числа установленных на нем двигателейопределены базовые функции, которые должна реализовывать рСАУразработана методика создания резервных САР, оптимальных по объему выполняемых функцийвыбран комплексный критерий, позволяющий дать обобщенную оценку схемного решения, предпочтительного для реализации рСАУпостроен алгоритм формирования САУ заданного показателя надежности, определяющий выбор оптимального подходак обеспечению заданного показателя надежности! системыпредложены четыре типовые схемы рСАУ и модульный принцип построения резерва.

Разработан комплексный подход к созданию резервных систем автоматического управления-и регулирования авиационным двигателем, предназначенных для совместной работы с электронной цифровой" системой автоматического управления, и регулирования типа РАРЕС, позволяющий, унифицировать гидромеханическую часть основного регулятора, упростить процесс выбора объема и состава функций, выполняемых рСАУ, свести задачу разработки структурной схемы рСАУ к выбору типовой схемы, максимально унифицировать и конструктивно упростить резерв.

На защиту выносятся следующие вопросы:

1. Результаты анализа современной концепции построения резерва и требований, предъявляемых к рСАУ АД: в зависимости от типа самолета и числа установленных на нем двигателей. Результаты экспертной оценки современной концепции резерва.

2. Комплексный критерий оценки рСАУ, позволяющий дать обобщенную оценку системы с точки зрения ее надежности, массы и унификации.

3. Результаты анализа схемно-конструктивной надежности, массы и стоимости агрегатов гидромеханической части САУ (в зависимости от числа функций).

4. Методика формирования структуры рСАУ. алгоритм формирования рСАУ заданного показателя надежности- ¦ четыре типовых схемы рСАУ. Основные положения данной работы докладывались и обсуждались на:

— четвертой международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения» Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники, ЕАТК ГА, 2002;

— двадцать седьмых академических чтениях по авиации и космонавтике, Москва 2003;

— пятой международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения» Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники, ЕАТК ГА, 2004;

По результатам проведенных исследований опубликовано 3 работы [26], [27], [28], получен патент№ 37 528 на полезную модель системы регулирования подачи топлива в основную камеру сгорания [63].

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 145 страниц машинописного текста и иллюстративно-табличного материала, а также 30 страниц приложений.

— 138 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Разработан, обоснован и предложен комплексный метод создания резервных систем автоматического управления и регулирования авиационным двигателем, предназначенных для обеспечения надежности САУ авиационного ГТД с электронной цифровой системой автоматического управления и регулирования типа РАРЕС.

2. Впервые проведен анализ концепции построения гидромеханического резерва для САУ типа ЯАОЕС авиационного ГТД. Рассмотрены требования, предъявляемые к резервным САУ АД в зависимости от типа самолета и числа установленных на нем двигателей, что позволило определить базовые функции, которые должна реализовывать рСАУ.

3. Разработан комплексный критерий, позволяющий провести сравнительный анализ различных схемно-конструктивных вариантов, дать обобщенную оценку схемного решения, предпочтительного для реализации рСАУ.

4. Предложен алгоритм формирования САУ с заданным показателем надежности, определяющий выбор оптимального пути обеспечения требуемого уровня надежности системы и определяющий случаи необходимости применения рСАУ.

5. Разработаны четыре типовые схемы рСАУ, предложен модульный принцип построения резерва, что позволяет решать задачи разработки структурной схемы рСАУ, выбирая типовую схему, наиболее полно отвечающую требованиям со стороны самолета и двигателя.

6. Предлагаемый подход дает возможность:

• унифицировать гидромеханическую часть основного регулятора;

• унифицировать и конструктивно упростить резерв;

• сократить объем интеллектуальных и материальных затрат на разработку гидромеханической части САУ авиационных ГТД.

Следует отметить, что значительный интерес в плане дальнейшего исследования представляют анализ структуры «электронного» резерва, а также исследование работы электронной САУ и перехода на резерв в случае «невыявленных» отказов.