Иногда наблюдаются повреждения лопаточного аппарата компрессоров и турбин, связанные с попаданием в их проточные части твердых посторонних частиц и предметов: песка; кусочков защитной металлической сетки или обломков воздухоприёмных жалюзей; деталей крепления внутренней арматуры воздухозаборных шахт; крепежа узлов камер сгорания и др. Например, разрушения лопаточного аппарата компрессора были вызваны засасыванием оторвавшихся стержней заклепок двери, обеспечивающей доступ во впускную камеру. Другой пример: причиной повреждения компрессора явился карманный фонарик, забытый механиком при осмотре воздухозаборной шахты. Из приведенных примеров видно, что засасывание посторонних предметов представляет особую опасность для ГТД. Всасывание небольших по размеру частиц и предметов может не приводить к катастрофическому разрушению проточных частей ГТД, однако вызывают образование на лопатках забоин и вмятин, способствующих ускорению процессов, вызывающих разрушения лопаточных аппаратов.
В эксплуатации отмечаются случаи оплавления (обгорания) и значительного перегрева рабочих и сопловых лопаток. Это происходит в результате нарушений в работе топливо-регулирующей аппаратуры, отказов тепловой защиты, возникновения помпажа ГТД. Наиболее опасным является помпаж при пусках и на режимах работы, соответствующим средней мощности. В этих случаях помпаж происходит без сильных звуковых эффектов, а при невнимательности обслуживающего персонала или нарушениях в системе контроля за температурами газов или отказе тепловой защиты он может пройти незамеченным и привести к обгоранию лопаток. Опыт эксплуатации показывает, что при помпаже, вследствие интенсивного роста температуры газов в течение 20... 30 секунд обгорают все лопатки. Обычно рабочие лопатки обгорают на половину длины в верхней части. Как правило, наибольшим повреждениям подвержены лопатки первой ступени турбины высокого давления.
Температура в лопатках повышается во время работы на переменных режимах и при маневрировании установки, когда возможны колебания температуры газа, подаваемого в проточную часть ГТД.
Циклические, температурные нагрузки приводят к повреждениям лопаток, выражающимся в короблении и растрескивании их кромок и снижения длительной прочности материала. При больших механических нагрузках эти начальные трещины могут послужить очагами разрушения лопатки.
1.3 Анализ существующих систем автоматического управления силовыми установками
Система, в которой все рабочие и управленческие операции выполняются без непосредственного участия человека, называется системой автоматического управления (САУ). Если же часть операций выполняется людьми, то говорят об автоматизированной системе управления (АСУ).
В основу построения САУ положены общие принципы управления, реализация которых позволяет увязать заданный алгоритм функционирования с фактическим состоянием системы. К ним относятся:
- принцип управления по задающему воздействию;
- принцип управления путем компенсации возмущения (помехи);
- принцип управления с учетом обратной связи;
- принцип комбинированного управления.
Суть первого из них, называемого также принципом разомкнутого управления, состоит в том, что управляющий сигнал U(t) формируется путем функционального преобразования входного сигнала X(t) без учета значения сигнала на выходе системы:
U(t) = F[X(t)].
САУ, реализующая подобный принцип, называется разомкнутой .
При использовании второго принципа управляющий сигнал U(t) формируется с учетом возмущающего воздействия f(t), то есть помехи. Этот принцип обеспечивает более гибкое управление, но применим лишь в том случае, когда помеху можно измерить. Специальное устройство, воспринимающее помеху, не только определяет ее параметры, но и формирует дополнительный сигнал, подаваемый на объект управления. Алгоритм управления в данном случае содержит информацию как о задающем, так и о возмущающем воздействии:
U(t) = F[X(t), f(t)].
Принцип управления по обратной связи обеспечивает формирование управляющего воздействия U(t) с учетом фактического значения выходного сигнала Y(t), часть которого в виде контрольного сигнала Z(t) возвращается на вход системы. Его называют также принципом замкнутого управления или принципом управления по замкнутому контуру . Его алгоритм может быть представлен в следующем виде:
U(t) = F[X(t),Y(t)].
В САУ, реализующих подобный принцип, автоматическое управляющее устройство стремиться ликвидировать все отклонения выходного сигнала Y(t) от желаемого значения независимо от причин, вызвавших эти отклонения, включая любые внешние помехи f(t), а также изменения параметров самой системы.
Поэтому такие системы нашли широкое распространение в технике, а понятие об обратной связи является одним из основных в автоматике и кибернетике.
Комбинированное управление представляет собой сочетание принципов управления по разомкнутому и замкнутому циклам одновременно.
В зависимости от цели управления различают стабилизирующие, программные и следящие системы.
Стабилизирующей называется автоматическая система, алгоритм которой обеспечивает поддержание управляемой величины на постоянном уровне. Примерами могут служить регуляторы скорости, напряжения, температуры, самолетные автопилоты, системы автоматического управления частотой автогенераторов, автоматической регулировки усиления и др.
Программной называется автоматическая система, алгоритм которой изменяет управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией. Примерами являются различные тренажеры, станки с числовым программным управлением, системы слепой посадки самолетов, автономного управления полетом ракеты на начальном участке траектории и др.
Следящей называется автоматическая система, алгоритм которой изменяет выходной сигнал в зависимости от значения неизвестного заранее переменного сигнала на входе. На этом принципе построены системы автосопровождения целей по дальности, скорости и направлению, силовые следящие системы управления положением антенн и пусковых установок ракет, радиотехнические системы телеуправления и самонаведения ракет и т.д.
По источнику управляющего сигнала различают замкнутые и разомкнутые САУ.
САУ, в которой, управляющий сигнал U(t) вырабатывается только на основе внешних сигналов, называется системой с разомкнутой цепью управления.
Если же сигнал U(t) формируется с учетом как внешних, так и внутренних сигналов, то система называется замкнутой. В подобных системах управляющий сигнал чаще всего вырабатывается в результате сравнения выходной величины Y(t) с задающим сигналом X(t):
U(t) = e(t) = F[X(t) - Y(t)].
Такой способ управления называется управлением по отклонению (по ошибке, рассогласованию). Сами же системы называются системами автоматического регулирования (САР).
Рисунок 3 - Функциональная схема САР
В замкнутых САУ в зависимости от типа обратной связи различают системы с положительной обратной связью, усиливающие входное воздействие и системы с отрицательной обратной связью, компенсирующие входное воздействие.
В зависимости от наличия или отсутствия ошибки в установившемся (статическом) режиме работы САУ подразделяются на статические и астатические.
В САУ, обеспечивающих управление не только по значению исследуемого параметра, но и по его производным, в зависимости от порядка отрабатываемых производных различают САУ различного порядка астатизма:
САУ с астатизмом первого порядка обеспечивает управление по параметру и его первой производной;
САУ с астатизмом второго порядка обеспечивает управление по параметру и его первой и второй производным и т.д.
Следящей системой (СС) называется система автоматического управления, алгоритм которой изменяет выходной сигнал в зависимости от значения неизвестного заранее переменного сигнала на входе. На этом принципе построены системы автосопровождения целей (ракет) по дальности, скорости и направлению, силовые следящие системы управления положением антенн, радиотехнические системы телеуправления и самонаведения ракет и т.д.
При следящем измерении координат в радиолокационных измерителях используется дискретная замкнутая САУ с астатизмом второго порядка и отрицательной обратной связью.
В дискретной СС с периодом обращение к объекту Т уравнение движения цели по произвольной координате x имеет вид:
xn = xn-1 + x'n•T + 1/2•x"n•T2, (1)
где: xn - истинное значение координаты в текущем такте n;
x'n = (xn - xn-1)/Т- скорость ее изменения;
x"n = (x'n - x'n-1)/Т - ускорение .
Экстраполированное (ожидаемое) значение координаты определяется как:
xn э = n-1 + 'n-1•T, (2)
где: n-1 - измеренное значение координаты, хранится в памяти СС;
'n-1 - измеренная скорость ее изменения, хранится в памяти СС.
Ожидаемое значение координаты определено с ошибкой Дxn:
Дxn = xn - xn э = (x'n - 'n-1) T + 1/2•x"n•T2? 1/2•x"n•T2 . (3)
Приближенное равенство в (3) обусловлено тем, что выражение
(x'n - 'n-1) стремится к нулю при малых значениях T и x".
Измеряя в текущем периоде обращения к объекту значение Дxn, именуемое сигналом ошибки (СО), СС рассчитывает текущее измеренное значение координаты n:
n = xn э + Дx. (4)
Таким образом, рекуррентный алгоритм (4) измерения координат целей СС позволяет последовательно уточнять значения оцениваемого параметра по результатам измерений сигнала ошибки в каждом периоде обращения к цели.
Структура СС, реализующий такой алгоритм, не зависит от измеряемой координаты (рис. 4).
Рисунок 4 - Структура следящей системы
В каждой СС присутствует измеритель сигнала ошибки, вычисляющий значение выражения (3), он называется дискриминатором и реализуется, как правило, в аналоговой форме.
Вычисление экстраполированных значений координаты в соответствии с выражением (2), текущих измеренных значений координаты в соответствии с выражением (4) и хранение измеренных значений координаты и скорости ее изменения осуществляется в формирователе сглаженных оценок, он реализуется, как правило, алгоритмически (программно) в специализированных вычислителях или в ЭВМ.
Последним элементом в составе СС является исполнительное устройство, где формируется опорный сигнал для дискриминатора со значением измеряемого параметра, определяемым кодом экстраполированной координаты.
Сигнал с выхода СС подается на ее вход для вычисления и последующей минимизации сигнала ошибки, следовательно, в рассматриваемой замкнутой САУ использована отрицательная обратная связь.
Простейшая цифровая СС.
Система уравнений, описывающая алгоритм работы СС, имеет вид:
где: К1 и К2 - коэффициенты определяющие как устойчивость работы СС, так и ее постоянную времени, а также случайные и динамические ошибки;
x0 и x'0 - начальные значения координаты и ее производной, задаваемые в режиме поиска цели.
Структурная схема цифровой следящей системы, реализующая приведенный алгоритм имеет вид, представленный на рисунке 5.
Рисунок 5 - Структурная схема цифровой следящей системы
На схеме дискриминатор показан как устройство вычитания. Начальные значения параметра 0 и ' 0 вводятся в систему перед началом автоматического сопровождения и соответствуют моменту времени t 0 . В дискриминаторе реализуется вычисление СО. Сформированное значение сигнала ошибки домножается на коэффициенты К1 и К2 поступает на фильтр оценки текущего параметра сигнала. При необходимости с выхода первого сумматора может быть снято значение оценки скорости изменения параметра х.
Полученная схема следящего измерителя представляет собой простейшую дискретную одноканальную систему автоматического управления второго порядка астатизма с отрицательной обратной связью .
В многоканальных СС для хранения полученных значений используются не линии задержки, а ячейки ОЗУ. Поскольку обращение к различным целям происходит в разные моменты времени, следящие системы по каждой из координат выполнены по схемам подобным одноканальным СС, а многоканальность достигается наличием нескольких ячеек ОЗУ (по количеству сопровождаемых целей).
Важнейшим элементом следящей системы (СС) является измеритель сигналов ошибок - дискриминатор. Для описания дискриминатора и анализа его свойств используют дискриминаторную характеристику (ДХ) (рис. 6).
Рисунок 6 - Дискриминаторная характеристика
ДХ описывается двумя основными параметрами:
ширина рабочего участка (размах) - Dxp;
крутизна рабочего участка S = tga.
Размах ДХ определяет максимально допустимые ошибки наведения СС.
Крутизна ДХ определяет потенциальную точность измерения координаты.