CC BY
17
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
10.36724/2409-5419-2020-12-1-4-12
КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ТЯГИ ДВУХВАЛЬНЫХ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ИХ РАЗНОТЯГОВОСТИ
НОВИЧКОВ Вадим Михайлович1
БУРОВА
Аделия Юрьевна2
Сведения об авторах:
1к.т.н., доцент, доцент Московского авиационного института (национального исследовательского университета), г. Москва, Россия, [email protected]
2старший преподаватель Московского авиационного института (национального исследовательского университета), г. Москва, Россия, [email protected]
АННОТАЦИЯ
Рассмотрены вопросы, связанные с решением задач коррекции разнотяговости турбореактивных двигателей силовой установки двухдвигательного самолёта программно-аппаратными средствами электронных блоков системы управления его силовой установкой в полёте. Череда участившихся в последнее время аварий среднемаги-стральных и дальнемагистральных самолётов из-за асимметрии тяги их двигателей при взлёте или посадке актуализировала решение этих задач для усовершенствования алгоритмов программно-аппаратного обеспечения системы автоматического управления силовой установкой двухдвигательного самолёта с турбореактивными двигателями. В качестве параметров тяги таких двигателей предлагается использовать частоты вращения роторов компрессоров низкого давления его двигателей и частоты вращения роторов компрессоров высокого давления тех же двигателей. Автоматический контроль этих параметров тяги по предлагаемому алгоритму их контроля позволяет уменьшать разнотяговость двухвальных турбореактивных двигателей силовой установки двухдвигательного самолёта путём уравнивания частот вращения роторов компрессоров низкого давления и уравнивания частот вращения роторов компрессоров высокого давления его двигателей. Предлагаемый алгоритм контроля таких параметров тяги двухвальных турбореактивных двигателей силовой установки двухдвигательного самолёта предусматривает возможность повышения их тяги по результатам сравнительной оценки соотношения частот вращения роторов компрессоров низкого давления и сравнительной оценки соотношения частот вращения роторов компрессоров высокого давления с учётом первых производных этих частот. Практическая реализация предлагаемого алгоритма в программно-аппаратном обеспечении системы автоматического управления силовой установкой двухдвигательного самолёта с двух-вальными турбореактивными двигателями обеспечит дополнительную возможность снижения асимметрии их тяги в полёте и соответствующего повышения безопасности полёта. Такое решение одной из задач коррекции разнотяговости этих двигателей на основе предлагаемого алгоритма контроля параметров их тяги можно считать дальнейшим развитием идеи снижения разнотяговости однотипных турбореактивных двигателей в условиях их серийного производства на заводе-изготовителе и эксплуатации на магистральных самолётах.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: двухдвигательный самолёт, силовая установка, турбореактивный двигатель, частота вращения ротора, электронная система управления.
Для цитирования: Новичков В.М., Бурова А.Ю. Контроль параметров тяги двухвальных турбореактивных двигателей при их разнотяговости // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2020. Т. 12. № 1. С. 4-12. doi: 10.36724/2409-5419-2020-12-1-4-12
Уо! 12 N0 1-2020, Н&ЕБ ЕЕЗЕЛЕСН АУ!АТ!ОМ, БРАБЕ-РОСКЕТ HARDWARE
Введение
Разнотяговость турбореактивных двигателей (ТРД) силовой установки двухдвигательного самолёта в полёте приводит, как минимум, к усложнению условий полёта и, следовательно, снижает безопасность полётов. Отмечается, что наличие разнотяговости наиболее опасно при взлёте, заходе на посадку и при посадке [1]. При этом учитываются внешние воздействия на самолёт, а к проектируемым силовым установкам самолётов предъявляются всё новые и новые требования. Большое внимание при разработке силовой установки уделяется не только конструкции и законам управления двигателей, но и алгоритмам их диагностики [2].
Автоматический контроль параметров тяги двух-вальных ТРД силовой установки двухдвигательного самолёта в полёте с несимметричной тягой может и должен обеспечиваться аппаратными и программными средствами электронных блоков управления двигателями из состава электронной системы управления силовой установкой [3]. Такой контроль создает дополнительную возможность снижения разнотяговости её ТРД в полёте и соответствующего повышения безопасности полёта.
Зависимость силы тяги двухвального ТРД от частот вращения обоих роторов турбин его компрессоров низкого и высокого давления обуславливает использование этих частот как параметров тяги такого двигателя [2,4]. Вычисление первых производных частот вращения роторов турбин обоих его компрессоров и суммирование замеряемых значений этих частот с вычисляемыми значениями их первых производных обеспечивает алгоритмизацию контроля таких параметров тяги двухвальных ТРД силовой установки двухдвигательного самолёта в многомерной постановке задач коррекции их разнотяговости с помощью специальных поправок тех же параметров тяги по методу снижения разнотяговости однотипных ТРД в условиях их серийного производства на заводе-изготовителе и последующей эксплуатации на среднемагистральных или дальне-магистральных самолётах [5]. Этот метод предусматривает введение специальных поправок параметров тяги ТРД в систему автоматического управления силовой установкой двухдвигательного самолёта с ТРД. Структурная схема этого метода приведена на рис. 1.
Череда участившихся в последнее время аварий сред-немагистральных и дальнемагистральных самолётов из-за асимметрии тяги их двигателей при взлёте или посадке актуализировала разработку алгоритмов контроля параметров тяги двухвальных ТРД силовой установкой двухдвигатель-ного самолёта для программно-аппаратного обеспечения системы автоматического управления такой установкой.
Целью исследования является алгоритмизация контроля параметров тяги исправно работающих двухвальных ТРД силовой установки двухдвигательного самолёта про-
граммными и аппаратными средствами электронной системы управления его силовой установкой. Материалами исследования стали компоненты программно-аппаратного обеспечения электронной системы управления силовой установкой двухдвигательного самолёта с двухвальными ТРД. При исследовании этих материалов использовались методы программного моделирования и цифровой обработки сигналов [1].
1. Структура электронной системы управления силовой установкой двухдвигательного самолёта с двухвальными ТРД
На рис. 2 приведена структурная схема электронной системы управления силовой установкой двухдвигательно-го самолёта с двухвальными ТРД. На этой структурной схеме приняты следующие сокращения: ДТРД—двухвальные ТРД, ЭБУД — электронные блоки управления двигателями, БДЦС — блоки дифференцирования цифровых сигналов от датчиков частот вращения роторов турбин компрессоров этих двигателей, БИЦС — блоки интегрирования цифровых сигналов от датчиков и дифференциаторов частот вращения роторов турбин компрессоров, БСЦС — блоки сравнения цифровых сигналов, БКЦС — блоки контроля цифровых сигналов, БПТД — блоки повышения тяги двигателей, ДЧВР — датчики частот вращения роторов турбин компрессоров низкого и высокого давления двигателей, ДПРУ — датчики положения рычагов управления двигателями, ДППК — датчик положения предкрылков, ДПСТ — датчик положения стояночного тормоза самолёта, ДВСС — датчик воздушной скорости самолёта [3].
Разнотяговость двухвальных ТРД силовой установки двухдвигательного самолёта обусловлена величиной диапазона значений силы их тяги, замеренных на заводе-изготовителе при стендовых испытаниях этих двигателей в условиях их серийного производства. Поэтому, уровень разнотяговости двухвальных ТРД силовой установки двухдвигательного самолёта зависит от величины минимального диапазона значений силы тяги серийных ТРД и может быть минимизирован в полёте [6].
2. Алгоритм контроля параметров тяги двухваль-ных ТРД силовой установки двухдвигательного самолёта при их разнотяговостив в полёте
Цифровые сигналы 0 < 1Т < 1 и 0 < < 1 с выходов датчика положения предкрылков и датчика положения стояночного тормоза самолёта, соответственно, поступают на входы блоков контроля цифровых сигналов. Блок сравнения цифровых сигналов с выхода датчика воздушной скорости самолёта и соответствующего цифрового сигнала оперативного запоминающего устройства электронной системы управления силовой установкой двухдвигатель-
Рис. 1. Структурная схема метода снижения разнотяговости однотипных ТРД в условиях их серийного производства на заводе-изготовителе и последующей эксплуатации на среднемагистральных или дальнемагистральных самолётах
Vol 12 No 1-2020, H&ES RESEARCH AVIATION, SPASE-ROCKET HARDWARE
Рис. 2. Структурная схема электронной системы управления силовой установкой двухдвигательного самолёта с двухвальными ТРД
ного самолёта выдаёт цифровой сигнал 0 < I3 < 1 на входы блоков контроля цифровых сигналов.
Блоки сравнения цифровых сигналов с выходов датчиков положения рычагов управления двигателями и соответствующего цифрового сигнала из оперативного запоминающего устройства электронной системы управления силовой установкой двухдвигательного самолёта выдаёт цифровые сигналы 0 < I* < 1 и 0 < I < 1 на входы блоков контроля цифровых сигналов. С выходов блоков дифференцирования цифровых сигналов на входы блоков интегрирования цифровых сигналов поступают временные отсчёты первых производных частот вращения роторов турбин компрессоров двигателей с учётом динамических свойств этих роторов. С выходов блоков интегрирования цифровых сигналов на входы блоков сравнения цифровых сигналов поступают суммарные отсчёты частот вращения роторов турбин компрессоров двигателей и первых производных тех же частот с учётом динамических свойств соответствующих роторов. Блоки сравнения цифровых сигналов с выходов блоков интегрирования цифровых сигналов и с выходов датчиков частот вращения роторов турбин компрессоров низкого и высокого давления формируют цифровые сигналы которые
поступают на входы блоков контроля цифровых сигналов. С выходов блоков контроля цифровых сигналов на входы блоков повышения тяги двигателей поступают цифровые сигналы управления тягой 0 < I4# < 1 и 0 < I4 < 1.
Логическая схема предлагаемого алгоритма контроля параметров тяги двухвальных ТРД силовой установки двухдвигательного самолёта приведена на рис. 3. В соответствии со структурной схемой электронной системы управления силовой установкой двухдвигательного самолёта с двухвальными ТРД, приведённой на рис. 2, на логической схеме предлагаемого алгоритма параметры одного ТРДЕСЬ", Cj#, С2#, n* и n * обозначены идентификаторами a(1), С(1,1), С(1,2), n(1,1) и n(1,2), а те же параметры другого ТРД a*ECL, С1 , С2 , nx и n2 — идентификаторами a(2), С(2,1), С(2,2), n(2,1) и n(2,2), соответственно, и общие для обоих ТРД параметры aECL, К, VcSET и условные номера ТРД и их роторов — идентификаторами A, V, V, J, K и L, соответственно.
Цифровые сигналы I* и I* обозначены идентификатором I1, цифровые сигналы I2# и I — идентификатором I 2, цифровой сигнал I3 — идентификатором I 3, цифровые сигналы I4# и I4 — идентификатором I4, цифровой сигнал IT — идентификатором Iт, цифровой сигнал IS — идентификатором !п.
Рис. 3. Логическая схема предлагаемого алгоритма контроля параметров тяги двухвальных ТРД силовой установки двухдвигательного самолёта
3. Контролируемые значения параметров тяги двухвальных ТРД силовой установки двухдви-гательного самолёта при их разнотяговостив в полёте
Снижение разнотяговости двухвальных ТРД силовой установки двухдвигательного самолёта, у одного из которых частота вращения ротора турбины компрессора
низкого давления и частота вращения ротора турбины
#
компрессора высокого давления п2, а у другого частота вращения ротора турбины компрессора низкого давле-
ния п1 и частота вращения ротора турбины компрессора высокого давления п2 обеспечивается уравниванием частот вращения роторов компрессоров низкого давления и уравниванием частот вращения роторов компрессоров высокого давления обоих ТРД в соответствии со структурной схемой электронной системы управления силовой установкой двухдвигательного самолёта, приведенной на рис. 2. Изменения значений цифровых сигналов управления тягой каждого из двигателей в зависимости от соотношений частот вращения роторов турбин компрессоров
Уо! 12 N0 1-2020, Н&ЕБ ЕЕЗЕЛЕСН АУ!АТ!ОМ, БРАБЕ-РОСКЕТ HARDWARE
1 § _ а (1п ? и т-С — 11 Л
Рис. 4. Изменение значения цифрового сигнала управления тягой I* в зависимости от соотношения контролируемых значений частот вращения роторов турбин компрессоров низкого давления обоих ТРД
я ? П1СЫ!
Рис. 5. Изменение значения цифрового сигнала управления тягой I* в зависимости от соотношения контролируемых значений частот вращения роторов турбин компрессоров высокого давления обоих ТРД
низкого и высокого давления обоих двигателей отображены на рис. 4-7. Весовые коэффициенты СД С*, С1, С2 позволяют учесть динамические свойства роторов турбин компрессоров низкого и высокого давления обоих ТРД.
Заключение
Предлагаемый алгоритм контроля параметров тяги двухвальных ТРД силовой установки двухдвигательного самолёта позволяет уменьшать их разнотяговость путём уравнивания частот вращения роторов турбин компрес-
соров низкого давления и уравнивания частот вращения роторов турбин компрессоров высокого давления его двигателей за счёт повышения их тяги в полёте [7]. Такой алгоритм предусматривает возможность повышения тяги двухвальных ТРД силовой установки двухдвигательно-го самолёта по результатам сравнительной оценки соотношения частот вращения роторов турбин компрессоров низкого давления и сравнительной оценки соотношения частот вращения роторов турбин компрессоров высокого давления с учётом первых производных этих частот [3].
Рис. 6. Изменение значения цифрового сигнала управления тягой 14* в зависимости от соотношения контролируемых значений частот вращения роторов турбин компрессоров низкого давления обоих ТРД
п , (1П2
Рис. 7. Изменение значения цифрового сигнала управления I* в зависимости от соотношения контролируемых значений частот вращения роторов турбин компрессоров высокого давления обоих ТРД
Практическая реализация предлагаемого алгоритма в программно-аппаратном обеспечении системы автоматического управления силовой установкой двухдвига-тельного самолёта с двухвальными ТРД обеспечит дополнительную возможность снижения асимметрии их тяги в полёте и соответствующего повышения безопасности полёта [8-10].
Разработку предлагаемого алгоритма контроля параметров тяги двухвальных ТРД силовой установки двухдвигательного самолёта можно считать дальнейшим развитием идеи снижения разнотяговости однотипных ТРД в условиях их серийного производства на заводе-изготовителе и последующей эксплуатации на среднемагистральных или дальнемагистральных самолё-
Vol 12 No 1-2020, H&ES RESEARCH AVIATION, SPASE-ROCKET HARDWARE
тах, доложенной на научно-практических конференциях Российской Академии Естествознания и изложенной в научных статьях в научно-технических журналах Российской Академии Естествознания [3,7].
Литература
1. SielemannM., PitchaikaniA., SelvanN., SammakM.The Jet Propulsion Library: Modeling and simulation of aircraft engines // Proceedings of the 12th International Modelica Conference May 15-17. Prague, Czech Republic, 2017. Pp. 909-920.
2. Gard S. Aircraft Turbine Engine Control Research at NASA Glenn Research Center // Journal of Aerospace Engineering. 2013. Vol. 26. No. 2. Pp. 422-438.
3. Новичков В. М., Бурова А. Ю. Формализация принципов функционирования системы управления силовой установкой двухдвигательного самолёта с двух-контурными турбореактивными двигателями и минимизации их «разнотяговости» при взлёте и наборе высоты // Современные наукоёмкие технологии. 2018. № 12-1. С. 121-125.
4. Nihad E. Daidzic, Estimation of Performance Airspeeds for High-Bypass Turbofans Equipped Transport-Category Airplanes // Journal of Aviation Technology and Engineering. 2016. Vol. 5. No. 2. Pp. 27-50.
5. Dvornitchenko V. V. The «Pratt&Whitney-MSTUCA» Probability-Statistical Method of «Confidetional Intervals»
for Construction of Throttle Characteristics for Diagnostic of Turbo-jet, Turbo-fan Engines for Combat Fighters and for Airplanes of Civil Aviation // Research Paper on ICAO'S Safety of Flight Paris' Symposium on 17-20 October of 2006. Paris, 2006.
6. Meng Ji, Ju Jiang, Wen Xue, Zhuo Xun Lin. Research on Technology of Thrust Asymmetry Lateral Compensation for Large Aircraft // Advanced Materials Research. 2012. Vol. 383-390. Pp. 1256-1261.
7. Новичков В. М., Бурова А. Ю. Применение ТРДД на ЛА с минимизацией «разнотяговости» для повышения безопасности полётов // Фундаментальные исследования. 2015. № 11-7. С. 1343-1351.
8. Скрипниченко С. Ю. Основные направления повышения эффективности полёта гражданских самолётов // Тезисы докладов 2-й международной конференции «Авиация и космонавтика 2003» (Москва, 3-9 ноября 2003). М.: Изд-во МАИ, 2003. С. 74-75.
9. Гузий А. Г., Капустин А. Г., Лушкин А.М., Фокин А. В. Методология количественного оценивания риска для безопасности полётов в самолётном сегменте коммерческой авиации // Научный Вестник МГТУ ГА. 2019. Т. 21. № 4. С. 33-42.
10.Елисов Л. Н., Овченков Н. И. Авиационная безопасность как объект математического моделирования // Научный Вестник МГТУ ГА. 2017. Т. 20. № 3. С. 13-20.
CONTROL OF THRUST PARAMETERS OF TWIN-SHAFT TURBOJET ENGINES WITH THEIR THRUST ASYMMETRY
VADIM M. NOVICHKOV, KEYWORDS: twin-engine aircraft; power plant; turbojet engine; ro-
Moscow, Russia, [email protected] tor speed; electronic control system.
ADELIIA Yu. BUROVA,
Moscow, Russia, [email protected]
ABSTRACT
The questions connected with the solution of problems of correction of asymmetry of thrust of turbojet engines of power plant of the twin-engine plane by software and hardware of electronic blocks of control system of its power plant in flight are considered. A series of frequent recent aviation accidents of medium-haul and long-haul aircraft due to the asymmetry of the thrust of their engines during takeoff or landing actualized the solution of these problems to improve the
algorithms of software and hardware of the automatic control system of the power plant of a twin-engine aircraft with turbojet engines. As thrust parameters of such engines, it is proposed to use the rotor speed of low-pressure compressors of its engines and the rotor speed of high-pressure compressors of the same engines. Automatic control of these thrust parameters according to the proposed algorithm of their control allows to reduce the asymmetry of the thrust of
the two-shaft turbojet propulsion system of a twin-engine aircraft by equalizing the rotor speeds of low-pressure compressors and equalizing the rotor speeds of high-pressure compressors of its engines. The proposed algorithm of control of thrust-shaft turbojet engine power plant of twin-engine aircraft provides the opportunity to enhance their traction on the results of a comparative assessment of the relative rotor speeds low pressure compressors and comparative evaluation of the ratio of frequencies of rotation of the rotors of the high-pressure compressor with respect to the first derivatives of these frequencies. The practical implementation of the proposed algorithm in the software and hardware of the automatic control system of the power plant of a twin-engine aircraft with twin-shaft turbojet engines will provide an additional opportunity to reduce the asymmetry of their thrust in flight and the corresponding increase in flight safety. Such a solution to one of the problems of correcting the asymmetry of thrust of these engines on the basis of the proposed algorithm for controlling the parameters of their thrust can be considered a further development of the idea of reducing the asymmetry of thrust of the same type of turbojet engines in terms of their serial production at the factory and operation on mainline aircraft.
REFERENCES
1. Sielemann M., Pitchaikani A., Selvan N., Sammak M. The Jet Propulsion Library: Modeling and simulation of aircraft engines. Proceedings of the 12th International Modelica Conference May 15-17. Prague, Czech Republic, 2017. Pp.909-920.
2. Gard S. Aircraft Turbine Engine Control Research at NASA Glenn Research Center. Journal of Aerospace Engineering. 2013. Vol. 26. No. 2. Pp. 422-438.
3. Novichkov V. M., Burova A. Yu. Formalizaciya principov funkcion-irovaniya sistemy upravleniya silovoj ustanovkoj dvuhdvigatel'nogo samoleta s dvuhkonturnymi turboreaktivnymi dvigatelyami i mini-mizacii ih «raznotyagovosti» pri vzlete i nabore vysoty [The formalization of the principles of operation of the control system power plant of twin-engine aircraft with turbofan engines and minimize the asymmetry of thrust at takeoff and climb]. Sovremennye naukoemkie tehnologii [Modern science-intensive technologies]. 2018. No. 12-1. Pp. 121-125. (In Rus)
4. Nihad E. Daidzic. Estimation of Performance Airspeeds for High-Bypass Turbofans Equipped Transport-Category Airplanes. Journal of Aviation Technology and Engineering. 2016. Vol. 5. No. 2. Pp. 27-50.
5. Dvornitchenko V. V. The «Pratt&Whitney-MSTUCA» Probability-Statistical Method of "Confidetional Intervals" for Construction of Throttle Characteristics for Diagnostic of Turbo-jet, Turbo-fan Engines for Combat Fighters and for Airplanes of Civil Aviation. Research Paper on ICAO'S Safety of Flight Paris' Symposium on 17-20 October of 2006. Paris, 2006.
6. Meng Ji, Ju Jiang, Wen Xue, Zhuo Xun Lin. Research on Technology of Thrust Asymmetry Lateral Compensation for Large Aircraft. Advanced Materials Research. 2012. Vol. 383-390. Pp. 1256-1261.
7. Novichkov V. M., Burova A. Yu. The Use of Turbofan Engines on Aircraft with Minimizing "Thrust Asymmetry" to Enhance Flight Safety. Fundamental research. 2015. No. 11-7. Pp. 1343-1351.
8. Skripnichenko S. Yu. Osnovnye napravleniya povysheniya effek-tivnosti poleta grazhdanskikh samoletov [Main directions of improving the efficiency of civil aircraft flight]. Tezisy dokladov. 2-y mezh-dunarodnoy konferentsii "Aviatsiya i kosmonavtika 2003" [Abstracts of reports. 2nd international conference "aviation and cosmonautics 2003", Moscow, 3-9 November 2003]. Moscow: MAI Publ., 2003. Pp. 74-75. (In Rus)
9. Guziy A. G., Kapustin A. G., Lushkin A. M., Fokin A. V. Metodologi-ya kolichestvennogo ocenivaniya riska dlya bezopasnosti poletov v samoletnom segmente kommercheskoj aviacii [Methodology of quantitative risk assessment for flight safety in aircraft segment of commercial aviation]. Nauchnyj Vestnik MGTU GA [Scientific Bulletin of MSTU GA]. 2019. Vol. 21. No. 4. Pp. 33-42. (In Rus)
10. Elisov L. N., Ovchinnikov N. I. Aviacionnaya bezopasnost' kak ob'ekt matematicheskogo modelirovaniya [Aviation security as an object of mathematical modeling]. Nauchnyj Vestnik MGTU GA [Scientific Bulletin of MSTU GA]. 2017. Vol. 20. No. 3. Pp. 13-20. (In Rus)
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Novichkov V.M., PhD, Docent, Assistant professor of the Moscow Aviation Institute (National Research University); Burova A.Yu., Senior lecturer of the Moscow Aviation Institute (National Research University).
For citation: Novichkov V.M., Burova A.Yu. Control of thrust parameters of twin-shaft turbojet engines with their thrust asymmetry. H&ES Research. 2020. Vol. 12. No. 1. Pp. 4-22. doi: 10.36724/2409-5419-2020-12-1-4-12 (In Rus)
