Разомкнутая система программного управления

На рис.22 приведены статические  характеристики частей системы подачи компонентов. На расчетном режиме работы характеристики пересекаются соответственно в точках М_Г^* и М_О^*. При этом обеспечиваются необходимые для расчетного режима расходы компонентов в камеру, соответствующие выбранному расчетному соотношению компонентов k_m^*.

Рис. 22

При переходе на новый режим работы при расходах, соответствующих  и и заданному , необходимо, чтобы статические характеристики активных и пассивных частей гидравлических систем пересекались в точках М_Г1 или М_Г2 и соответственно М_О1 или М_О2. Для того, чтобы система стала работать в точках М_Г1 и М_О1, т.е. при неизменных характеристиках пассивных частей АВ_Г и АВ_О, необходимо снизить характеристики активных частей В_ГС и В_ОС. Это можно сделать, перерегулировав редуктор подачи сжатого газа 3 (рис.21) на пониженное давление (характеристики (В_ГС)_I и (В_ОС)_I).

Если же перенастройка газового редуктора нежелательна из-за наличия в баках большого количества газа высокого давления, а необходимо заставить систему подачи работать в точках М_Г2 и М_О2, то следует изменить характеристики пассивных частей АВ_Г и АВ_О. На рис.22 это кривые (АВ_Г)_I и (АВ_О)_I. Для того чтобы эти кривые переместились вверх, необходимо гидравлическое сопротивление магистралей увеличить на и , что можно осуществить, изменяя соответствующим образом проходные сечения дросселей 1 и 2 (рис.21).

Из приведенного примера можно  сделать следующий вывод: необходимый режим работы двигательной установки может быть получен путем изменения статических характеристик как ее пассивных (АВ_Г и АВ_О), так и активных (В_ГС и В_ОС) частей.

На рис.23 приведена схема ДУ с  насосной системой подачи и питанием газогенератора турбонасосного агрегата основными компонентами. Пассивные части системы питания для каждого компонента состоят из двух частей. Для камеры ЖРДУ они обозначены В_ОА и В_ГА, а для газогенератора, питающего турбонасосный агрегат, В_ОА_Т и В_ГА_Т. В части В_ОА предусмотрен дроссельный кран окислителя 1, что позволяет при необходимости изменять статическую характеристику этой части и устанавливать необходимое соотношение компонентов топлива в камере . Обе части системы, обеспечивающие питание газогенератора 4, В_ОА_Т и В_ГА_Т снабжены дроссельными кранами 5 и 6, что дает возможность, изменяя их характеристики, подбирать необходимые по величине расходы компонентов в газогенератор и , а значит, поддерживать заданное значение соотношения компонентов в газогенераторе . Активными частями системы являются насосы 2 и 7 турбонасосного агрегата, обеспечивающие увеличение давления между точками системы А_ОВ_О и А_ГВ_Г за счет механической энергии, подводимой от турбины 3. Это давление обычно изменяется путем изменения частоты вращения рабочих колес насосов.

Рис. 23

 

На рис.24 приведены статические  характеристики системы подачи горючего и окислителя. При работе ДУ на расчетном  режиме с расходами через насосы и характеристики пассивных частей (АВ_ГА_Т)^* и (АВ_ОА_Т)^* и активных (А_ГВ_Г)^* и (А_ОВ_О)^* пересекаются соответственно в точках М_Г^* и М_О^*. При этом частота вращения рабочих колес насосов соответствует w^*. Рассматривая переход на новый режим работы, соответствующий расходам компонентов и при , при исходных статических характеристиках пассивных частей (АВ_ГА_Т)^* и (АВ_ОА_Т)^*, видим, что они смогут работать только в точках М_ГI и М_ОI. Центробежные же насосы 2 и 7 могут работать при и расходах и только в режимах, определяемых точками М_Г2 и М_О2 (рис.24). Очевидно, в этом случае работа установки станет невозможной, так как давления, необходимые для работы магистралей (точки М_ГI и М_ОI) не совпадают с давлениями, обеспечивающими насосами в точках М_Г2 и М_О2. Наиболее простым средством, позволяющим совместить рабочие точки, является изменение частоты вращения рабочих колес насосов.

Рис. 24

По магистрали горючего это достигается  при частоте вращения насосов, соответствующей  . По магистрали окислителя переход на новый режим сложнее из-за неидентичности характеристик насосов окислителя и горючего и поэтому выбор частоты вращения рабочих колес насосов производится по характеристике магистрали горючего. Характеристика (А_ОВ_О)_I может не пройти через точку М_ОI, а пересекаться с характеристикой (АВ_ОА_Т)^*, например, в точке М_О3. Расход окислителя при этом станет больше заданного и равным , а соотношение компонентов отклонится от расчетного значения. Для того, чтобы установить необходимый режим, следует изменить характеристику части (АВ_ОА_Т)^* так, чтобы она прошла через точку . Этот сдвиг характеристики можно получить только путем увеличения сопротивления магистрали окислителя на . В приведенной на рис.23 схеме это можно сделать, уменьшая проходную площадь дроссельных кранов 1 и 5. В этом случае статическая характеристика части АВ_ОА_Т займет положение (АВ_ОА_Т)_I, что обеспечит получение заданного режима работы камеры.

Таким образом, могут быть построены  рабочие точки всех промежуточных  режимов, в каждой из которых должен сохраняться баланс расходов:

;                .

Величины расходов компонентов и , поступающих в камеру, определяются заданной тягой и соотношением компонентов по статической характеристике камеры. Величины же расходов компонентов и , поступающих в газогенератор, определяются по балансу мощностей, насосов и турбины турбонасосного агрегата и соотношению компонентов, принятому для газогенератора.

Из вышеизложенного вытекает следующее.

Во-первых, в тех случаях, когда  две части гидравлической системы  питаются от одного источника (на схеме  рис.23 - это магистрали питания горючим камеры и газогенератора от одного центробежного насоса), необходимо в одной из этих частей иметь агрегат, позволяющий менять статическую характеристику этой магистрали (в данном случае дроссель 6 магистрали питания горючим газогенератора).

Во-вторых, в том случае, когда магистрали питаются от двух насосов, связанных между собой механически (в схеме рис.23 - это магистрали питания камеры горючим и окислителем), необходимо для согласования их работы на различных режимах включать в состав одной из них агрегат, позволяющий изменять ее статическую характеристику (на схеме рис.23 - это дроссель магистрали окислителя 1).

Чтобы обеспечить работу ДУ на новом  режиме, соответствующем точкам М_Г2 и М_О2, при (см. рис.23), необходимо увеличить гидравлические сопротивления магистралей окислителя и горючего, переводя их характеристики из расчетного положения (АВ_ГА_Т)^* и (АВ_ОА_Т)^* в положение (АВ_ГА_Т)_II и (АВ_ОА_Т)_II соответственно. Но в этом случае необходимо предусмотреть дроссель и в части АВ_Г системы питания горючим.

 

2.7.  СТАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

 

В настоящее время ЛА, снабженные ЖРДУ, выполняют в полете различные  задачи, каждая из которых требует  соответствующего изменения тяги или  давления в камере сгорания. Для  того, чтобы изменить тягу или давление в камере сгорания необходимо знать связь между положением регулирующего органа ДУ и величиной, определяющей режим ее работы, т.е. величиной давления в камере или соотношением компонентов топлива. Такую связь и обеспечивает статическая характеристика.

Статическая характеристика связывает выходную величину объекта регулирования (давление в камере) с входной величиной (положением регулирующего органа). Статические характеристики ДУ могут быть построены и для выявления других связей, например, связи изменения соотношения компонентов топлива с изменением положения дросселя магистрали окислителя или изменения давления в камере с воздействием на объект регулирования различных возмущений, как внешних, так и внутренних. К внешним возмущениям можно отнести следующие: отклонения давлений компонентов на входе в насосы; отклонения плотности компонентов от расчетной; отклонения давления окружающей среды от расчетного значения и т.п. Внутренние возмущения - это прежде всего отклонения гидравлических характеристик трубопроводов, смесительных головок, тракта охлаждения камеры; отклонения характеристик насосов и турбины от расчетных; отклонения в процессах выделения тепла, учитываемых изменением расходных комплексов камеры и газогенератора .

Статические характеристики объекта регулирования могут быть представлены в виде уравнений, связывающих входную и выходную величины, или в виде графиков, построенных по этим уравнениям или полученных экспериментально. Можно также получить уравнения статических характеристик, аппроксимируя опытные данные.

В тех случаях, когда по заданию  необходимо изменение режима работы двигателя в достаточно широких  пределах, основной является статическая  характеристика, связывающая выходную величину (давление в камере) с входной  величиной (положением регулирующего органа). Такая характеристика носит название регулировочной.

Для ЖРДУ, схема которой приведена  на рис.13, такая характеристика должна связывать давление в камере сгорания с величиной проходной площади  дросселя газогенератора F_др.ГГ или его положением z_др.ГГ. Примерный вид такой характеристики, построенной в относительных координатах приведен на рис.25.

 

Рис. 25

Для того, чтобы построить эту  характеристику, необходимо учесть свойства всех звеньев, работающих в данной установке. Это можно сделать, решая совместно уравнения статических характеристик или пользуясь графоаналитическим методом, позволяющим наглядно видеть изменения режимов работы каждого из звеньев. Такая наглядность дает возможность вносить необходимые коррективы в свойства используемых звеньев и находить соответствующие положения регулирующих органов.

Рассмотрим применение графоаналитического  метода на примере построения статической  характеристики для ДУ, схема которой  приведена на рис.13.

Исходной является статическая (или  дроссельная) характеристика камеры сгорания, так как это главное звено объекта регулирования. На рис.26 приведена статическая характеристика камеры сгорания.

Рис. 26

Исходной для ее расчета является точка расчетного режима. По этой характеристике определяется необходимый суммарный расход компонентов и далее по заданному соотношению компонентов находятся расходы горючего и окислителя для всех необходимых режимов:

;        .

Далее строятся статические характеристики обеих частей смесительной головки  камеры сгорания. В наиболее простом случае, как было указано выше, по параметрам расчетной точки находятся коэффициенты сопротивления для головок горючего и окислителя:

;

.

 

Эти коэффициенты могут быть найдены  по результатам экспериментальных  проливок. Зная эти коэффициенты, можно построить статические характеристики смесительных головок, пользуясь следующими зависимостями:

;         .

На рис.27 приведены статические  характеристики головок камеры сгорания, построенные в заданных пределах изменения режима по расходу компонентов.

Следующим участком является рубашка  охлаждения камеры сгорания. На рис.28,а показана статическая характеристика охлаждающего тракта камеры сгорания.

На рис.30,а приведена статическая характеристика магистрали горючего, соединяющей коллектор рубашки охлаждения с насосом горючего. Она построена по зависимости (33):

.

Рис. 27

Рис. 28

Рис. 29

Зная давление в камере и потери давления на каждом участке магистрали горючего, можно построить статическую  характеристику пассивной части  этой магистрали, т.е. получить изменение  величины давления на ее выходе со стороны  насоса для обеспечения необходимых расходов горючего на любом из заданных режимов работы ДУ. Это давление определяется следующей суммой:

 

.

Суммирование можно произвести графически или получить аналитически, воспользовавшись соответствующими выражениями. На рис.31,а приведена характеристика, полученная в результате такого суммирования.

Рис. 30

Рис. 31

Для того, чтобы построить такую  же характеристику для системы подачи окислителя, следует использовать статические  характеристики отдельных участков этой системы. На рис.27,б приведена построенная по указанной ранее методике характеристика части смесительной головки камеры сгорания. На рис.28,б показана статическая характеристика участка магистрали между головкой и дросселем магистрали окислителя. Величина перепада давлений на этом участке может быть подсчитана исходя из следующей зависимости:

.

Далее по схеме ДУ в этой магистрали установлен дроссель. При построении его статической характеристики на расчетном режиме работы ДУ выбирают потери давления на нем соответственно указанным ранее рекомендациям, а проходную площадь F_др.О принимают постоянной. На рис.29 приведены статическая характеристика дроссельного крана, а также характеристика для случая, когда дроссель полностью открыт (F_{др.О.мах}). Расчет потерь следует вести по соотношению

.

Затем следует построить характеристику участка магистрали между регулирующим клапаном магистрали окислителя и насосом  окислителя. Потери давления на этом участке, как было указано ранее, могут  быть подсчитаны исходя из следующей зависимости:

.