Системы автоматического управления ГТУ и компрессоров

САУдер.doc

Министерство образования и науки Украины
Национальный авиационный университет
Кафедра авиационных двигателей
Расчётно-графическая работа
по дисциплине: « Системы автоматического управления ГТУ и компрессоров »
Принял: Березлёв В.Ф.
Общие теоретические сведения.
САУ ГТУ – совокупность автоматических устройств управления и ГТУ как объекта управления.
-для управления рабочим процессом;
-для обеспечения безопасной работы ГТУ.
Задачи решаемые САУ:
-запуск ГТУ при различных условиях эксплуатации (в различные времена года);
-изменение и поддержание режимов работы ГТУ в соответствии с выбранными законами управления;
-обеспечение приемлемых разгонных характеристик ГТУ при приёмистости;
-обеспечение устойчивой работы отдельных узлов ГТУ (осевой компрессор камера сгорания турбина);
-ограничение предельных значений параметров рабочего процесса ГТУ с целью защиты деталей и узлов от перегрузок;
-обеспечение различных блокировок гарантирующих надёжность и безопасность работы;
-нормальный и экстренный останов двигателя.
Законом управления ГТУ называют принятую зависимость связывающую управляемые параметры и управляющие факторы с внешними условиями и положением задающего устройства регулятора скорости или положением рычага управления двигателем.
Закон управления газотурбинной установкой НК-16СТ на максимальном режиме.
при Рн Тн – var α = α max = const
где nнд nвд nст – частоты вращения роторов низкого высокого давления и силовой турбины; Тг – полная температура газа перед турбиной; Рн – полное давление воздуха на входе в двигатель; Тн – полная температура воздуха на входе в двигатель; α – положение рычага управления двигателем.
Структурная схема САУ ГТУ НК-16СТ представлена на рис.1.
- сервомеханизм (служит для усиления сигнала выдаваемого чувствительным элементом.);
- управляемый орган ( обеспечивает непосредственное изменение количества подаваемого топлива.);
- ограничитель полной температуры газа перед турбиной;
- ограничитель частоты вращения ротора высокого давления;
- ограничитель частоты вращения ротора силовой турбины;
- регулятор частоты вращения ротора низкого давления.
Тип регулятора – регулятор прямого действия.
Расчетное давление воздуха на выходе из регулятора при нулевом расходе:
а минимальное давление на выходе из регулятора:
Для расчета регулятора задают диаметры мембраны Dм и клапана dкл. Рекомендуемые значения диаметра мембраны:
Диаметры клапана для регулятора прямого действия находят из выражения:
Принимаем: Dм= 008м; dкл=005м.
Площадь клапана определяют из выражения:
Площадь мембраны рассчитывают по формуле:
Коэффициент учитывающий жесткость мембраны зависит от диаметра защитных дисков:
В расчетах необходимо принимать Dз=003м.
Приведенную площадь мембраны находят из выражения:
Площадь седла клапана определяют из уравнения:
где S = (05 15) . 10-3м – ширина плоскости контакта клапана и седла.
Принимаем S = 1.10-3 м.
Максимальное усилие прижатия клапана к седлу вычисляется по формуле:
где qmax=(5 10).106 Па – рекомендованное максимальное удельное давление в зоне контакта клапана и седла.
Принимаем qmax=8.106 Па.
Усилие герметизации клапана при Pвых=Рвых рас для регулятора прямого действия рассчитывается по уравнению:
Минимальное удельное давление в зоне контакта клапана и седла обеспечивающее герметизацию канала выхода определяют по формуле:
Усилие вспомогательной пружины при закрытом клапане и нулевом усилии основной пружины для регулятора прямого действия находят из выражения:
Усилие основной пружины в момент открытия клапана при Рвых=Рвых.min для регулятора прямого действия вычисляют по формуле:
Для расчета основной и вспомогательной пружин задают индекс пружин:
где D di – диаметр поперечного сечения стержня пружины м.
Рекомендуемые значения индекса Сi=4 6.
Принимаем: для основной пружины С1=6; для вспомогательной пружины С2=4.
Поправочный коэффициент учитывающий кривизну витков изгиб стержня пружины продольную деформацию зависит от индекса пружины и определяется по формуле:
Диаметр поперечного сечения стержня пружины составляет:
=750 Мпа для кремнистых сталей типа 60С2 или ОВС используемых при изготовлении пружин.
Принимаем d1=00025 м; d2=0002 м.
Диаметр винтовой оси пружины определяют по формуле:
Рекомендуемые значения жесткости пружин составляют Ki=(3 6).104 Нм.
Принимаем K1=5.104 Нм; К2=4.104 Нм.
Число витков пружин находят из выражения:
где G = 8.1010 Па – модуль сдвига для материала пружин.
Принимаем: Z1 = 4; Z2 = 8.
Жесткость пружин рассчитывают из уравнения:
По данным полученным в результате расчетов по пунктам 2 5 и 13 в масштабе 1:1 вычерчиваем регулятор (рис.1).
Построение статической характеристики регулятора.
Статическая характеристика регулятора прямого действия представляет собой ломаную линию 0-1-2 (рис.2) описываемую уравнениями:
Перелом характеристики происходит в точке 1.
Выходное давление в точке 1 равно входному:
Отсюда в соответствии с уравнением (1):
Выходное давление в точке 3 Рвых.3 соответствует расчетному давлению на входе в регулятор и определяется для регулятора прямого действия по выражению:
По вычисленным значениям Рвых.1 и Рвых.3 при соответствующих значениях Рвх строим статическую характеристику Рвых.ст=f(Рвх).
Для построения динамической характеристики регулятора сначала определяем значения входного давления при уменьшении ниже которого начинается интенсивное снижение выходного давления. Такое давление соответствует выходному давлению в точке 2 и опредеояется по выражению
Наименьшая разность давлений ΔРmin зависит от жесткостей основной и вспомогательной пружин и расхода воздуха Gв. Обычно принимают:
ΔРmin=(025 05).Рвых.рас.
Принимаем ΔРmin=04.Рвых.рас=04 . 0252 . 106=0101. 106 Па.
Вычислим выходное давление Рвых.2 в точке 2 по формуле (1):
Температуравоздуха на входе в регулятор соответствует температуре воздуха отбираемого из компрессора ГТУ и определяется по выражению:
где Тн = 288 К – температура воздуха на входе в ГТУ; Рн = 101325 Па – давление воздуха на входе в ГТУ; k =14 – показатель адиабаты.
По статическим параметрам давлений в точках 2 и 3 определим отношения:
Если i > кр = 0528 (для воздуха) т.е. при докритическом перепаде давлений в дросселирующем сечении клапана регулятора коэффициент характеризующий скоростной режим течения воздуха через клапан регулятора определяем по формуле:
где =065 07 – коэффициент расхода. Принимаем =068.
При любом режиме течения воздуха через дросселирующее сечение клапана (докритическом или сверхкритическом) открытие клапана определяется по выражению:
При постоянном расходе воздуха через клапан находят давление на выходе для точек 2д и 3д динамической характеристики регулятора по соответствующим значениям давлений на входе Рвх.i и открытиям клапана hi.
Расчёт для регулятора прямого действия выполняют по формуле:
Соединив точки 0 2д и 3д получают динамическую характеристику регулятора протекающую ниже статической так как при Рвых Рвх и при Рвх меньше чем заданное значение Рвых будет небольшое открытие клапана. При этом клапан утрачивает свое регулирующее значение и представляет собой уже простое гидравлическое сопротивление в связи с чем давление на выходе будет падать так же как и давление на входе отличаясь от него только на величину гидравлических потерь.
Статическая и динамическая характеристики регулятора приведены на рис.2.
Принциниальная схема регулятора постоянного давления прямого действия приведена на рис.2:
– регулировочный винт; 25 – пружины; 3 – шток; 46 – полости; 7 – клапан;
– дросселирующее отверстие; 9 – седло клапана; 10 – поршень.

Dvig.dwg

Схема САУ.dwg

Клапан.cdw

САУ.doc

Министерство образования и науки Украины
Национальный авиационный университет
Кафедра авиационных двигателей
Расчётно-графическая работа
по дисциплине: « Системы автоматического управления ГТУ и компрессоров »
Принял: Березлёв В.Ф.
Общие теоретические сведения.
САУ ГТУ – совокупность автоматических устройств управления и ГТУ как объекта управления.
-для управления рабочим процессом;
-для обеспечения безопасной работы ГТУ.
Задачи решаемые САУ:
-запуск ГТУ при различных условиях эксплуатации (в различные времена года);
-изменение и поддержание режимов работы ГТУ в соответствии с выбранными законами управления;
-обеспечение приемлемых разгонных характеристик ГТУ при приёмистости;
-обеспечение устойчивой работы отдельных узлов ГТУ (осевой компрессор камера сгорания турбина);
-ограничение предельных значений параметров рабочего процесса ГТУ с целью защиты деталей и узлов от перегрузок;
-обеспечение различных блокировок гарантирующих надёжность и безопасность работы;
-нормальный и экстренный останов двигателя.
Законом управления ГТУ называют принятую зависимость связывающую управляемые параметры и управляющие факторы с внешними условиями и положением задающего устройства регулятора скорости или положением рычага управления двигателем.
Закон управления газотурбинной установкой НК-16СТ на максимальном режиме.
при Рн Тн – var α = α max = const
где nнд nвд nст – частоты вращения роторов низкого высокого давления и силовой турбины; Тг – полная температура газа перед турбиной; Рн – полное давление воздуха на входе в двигатель; Тн – полная температура воздуха на входе в двигатель; α – положение рычага управления двигателем.
Структурная схема САУ ГТУ НК-16СТ представлена на рис.1.
- сервомеханизм (служит для усиления сигнала выдаваемого чувствительным элементом.);
- управляемый орган ( обеспечивает непосредственное изменение количества подаваемого топлива.);
- ограничитель полной температуры газа перед турбиной;
- ограничитель частоты вращения ротора высокого давления;
- ограничитель частоты вращения ротора силовой турбины;
- регулятор частоты вращения ротора низкого давления.
Тип регулятора – регулятор прямого действия.
Расчетное давление воздуха на выходе из регулятора при нулевом расходе:
а минимальное давление на выходе из регулятора:
Для расчета регулятора задают диаметры мембраны Dм и клапана dкл. Рекомендуемые значения диаметра мембраны:
Диаметры клапана для регулятора прямого действия находят из выражения:
Принимаем: Dм= 008м; dкл=005м.
Площадь клапана определяют из выражения:
Площадь мембраны рассчитывают по формуле:
Коэффициент учитывающий жесткость мембраны зависит от диаметра защитных дисков:
В расчетах необходимо принимать Dз=003м.
Приведенную площадь мембраны находят из выражения:
Площадь седла клапана определяют из уравнения:
где S = (05 15) . 10-3м – ширина плоскости контакта клапана и седла.
Принимаем S = 1.10-3 м.
Максимальное усилие прижатия клапана к седлу вычисляется по формуле:
где qmax=(5 10).106 Па – рекомендованное максимальное удельное давление в зоне контакта клапана и седла.
Принимаем qmax=8.106 Па.
Усилие герметизации клапана при Pвых=Рвых рас для регулятора прямого действия рассчитывается по уравнению:
Минимальное удельное давление в зоне контакта клапана и седла обеспечивающее герметизацию канала выхода определяют по формуле:
Усилие вспомогательной пружины при закрытом клапане и нулевом усилии основной пружины для регулятора прямого действия находят из выражения:
Усилие основной пружины в момент открытия клапана при Рвых=Рвых.min для регулятора прямого действия вычисляют по формуле:
Для расчета основной и вспомогательной пружин задают индекс пружин:
где D di – диаметр поперечного сечения стержня пружины м.
Рекомендуемые значения индекса Сi=4 6.
Принимаем: для основной пружины С1=6; для вспомогательной пружины С2=4.
Поправочный коэффициент учитывающий кривизну витков изгиб стержня пружины продольную деформацию зависит от индекса пружины и определяется по формуле:
Диаметр поперечного сечения стержня пружины составляет:
=750 Мпа для кремнистых сталей типа 60С2 или ОВС используемых при изготовлении пружин.
Принимаем d1=00025 м; d2=0002 м.
Диаметр винтовой оси пружины определяют по формуле:
Рекомендуемые значения жесткости пружин составляют Ki=(3 6).104 Нм.
Принимаем K1=5.104 Нм; К2=4.104 Нм.
Число витков пружин находят из выражения:
где G = 8.1010 Па – модуль сдвига для материала пружин.
Принимаем: Z1 = 4; Z2 = 8.
Жесткость пружин рассчитывают из уравнения:
По данным полученным в результате расчетов по пунктам 2 5 и 13 в масштабе 1:1 вычерчиваем регулятор (рис.1).
Построение статической характеристики регулятора.
Статическая характеристика регулятора прямого действия представляет собой ломаную линию 0-1-2 (рис.2) описываемую уравнениями:
Перелом характеристики происходит в точке 1.
Выходное давление в точке 1 равно входному:
Отсюда в соответствии с уравнением (1):
Выходное давление в точке 3 Рвых.3 соответствует расчетному давлению на входе в регулятор и определяется для регулятора прямого действия по выражению:
По вычисленным значениям Рвых.1 и Рвых.3 при соответствующих значениях Рвх строим статическую характеристику Рвых.ст=f(Рвх).
Для построения динамической характеристики регулятора сначала определяем значения входного давления при уменьшении ниже которого начинается интенсивное снижение выходного давления. Такое давление соответствует выходному давлению в точке 2 и опредеояется по выражению
Наименьшая разность давлений ΔРmin зависит от жесткостей основной и вспомогательной пружин и расхода воздуха Gв. Обычно принимают:
ΔРmin=(025 05).Рвых.рас.
Принимаем ΔРmin=04.Рвых.рас=04 . 0252 . 106=0101. 106 Па.
Вычислим выходное давление Рвых.2 в точке 2 по формуле (1):
Температуравоздуха на входе в регулятор соответствует температуре воздуха отбираемого из компрессора ГТУ и определяется по выражению:
где Тн = 288 К – температура воздуха на входе в ГТУ; Рн = 101325 Па – давление воздуха на входе в ГТУ; k =14 – показатель адиабаты.
По статическим параметрам давлений в точках 2 и 3 определим отношения:
Если i > кр = 0528 (для воздуха) т.е. при докритическом перепаде давлений в дросселирующем сечении клапана регулятора коэффициент характеризующий скоростной режим течения воздуха через клапан регулятора определяем по формуле:
где =065 07 – коэффициент расхода. Принимаем =068.
При любом режиме течения воздуха через дросселирующее сечение клапана (докритическом или сверхкритическом) открытие клапана определяется по выражению:
При постоянном расходе воздуха через клапан находят давление на выходе для точек 2д и 3д динамической характеристики регулятора по соответствующим значениям давлений на входе Рвх.i и открытиям клапана hi.
Расчёт для регулятора прямого действия выполняют по формуле:
Соединив точки 0 2д и 3д получают динамическую характеристику регулятора протекающую ниже статической так как при Рвых Рвх и при Рвх меньше чем заданное значение Рвых будет небольшое открытие клапана. При этом клапан утрачивает свое регулирующее значение и представляет собой уже простое гидравлическое сопротивление в связи с чем давление на выходе будет падать так же как и давление на входе отличаясь от него только на величину гидравлических потерь.
Статическая и динамическая характеристики регулятора приведены на рис.1.
Принциниальная схема регулятора постоянного давления прямого действия приведена на рис.2:
– регулировочный винт; 25 – пружины; 3 – шток; 46 – полости; 7 – клапан;
– дросселирующее отверстие; 9 – седло клапана; 10 – поршень.

Схема САУ.dwg

САУ.doc

Министерство образования и науки Украины
Национальный авиационный университет
Кафедра авиационных двигателей
Расчётно-графическая работа
по дисциплине: « Системы автоматического управления ГТУ и компрессоров »
Принял: Березлёв В.Ф.
Общие теоретические сведения.
САУ ГТУ – совокупность автоматических устройств управления и ГТУ как объекта управления.
-для управления рабочим процессом;
-для обеспечения безопасной работы ГТУ.
Задачи решаемые САУ:
-запуск ГТУ при различных условиях эксплуатации (в различные времена года);
-изменение и поддержание режимов работы ГТУ в соответствии с выбранными законами управления;
-обеспечение приемлемых разгонных характеристик ГТУ при приёмистости;
-обеспечение устойчивой работы отдельных узлов ГТУ (осевой компрессор камера сгорания турбина);
-ограничение предельных значений параметров рабочего процесса ГТУ с целью защиты деталей и узлов от перегрузок;
-обеспечение различных блокировок гарантирующих надёжность и безопасность работы;
-нормальный и экстренный останов двигателя.
Законом управления ГТУ называют принятую зависимость связывающую управляемые параметры и управляющие факторы с внешними условиями и положением задающего устройства регулятора скорости или положением рычага управления двигателем.
Закон управления газотурбинной установкой НК-16СТ на максимальном режиме.
при Рн Тн – var α = α max = const
где nнд nвд nст – частоты вращения роторов низкого высокого давления и силовой турбины; Тг – полная температура газа перед турбиной; Рн – полное давление воздуха на входе в двигатель; Тн – полная температура воздуха на входе в двигатель; α – положение рычага управления двигателем.
Структурная схема САУ ГТУ НК-16СТ представлена на рис.1.
- сервомеханизм (служит для усиления сигнала выдаваемого чувствительным элементом.);
- управляемый орган ( обеспечивает непосредственное изменение количества подаваемого топлива.);
- ограничитель полной температуры газа перед турбиной;
- ограничитель частоты вращения ротора высокого давления;
- ограничитель частоты вращения ротора силовой турбины;
- регулятор частоты вращения ротора низкого давления.
Тип регулятора – регулятор прямого действия.
Расчетное давление воздуха на выходе из регулятора при нулевом расходе:
а минимальное давление на выходе из регулятора:
Для расчета регулятора задают диаметры мембраны Dм и клапана dкл. Рекомендуемые значения диаметра мембраны:
Диаметры клапана для регулятора прямого действия находят из выражения:
Принимаем: Dм= 008м; dкл=005м.
Площадь клапана определяют из выражения:
Площадь мембраны рассчитывают по формуле:
Коэффициент учитывающий жесткость мембраны зависит от диаметра защитных дисков:
В расчетах необходимо принимать Dз=003м.
Приведенную площадь мембраны находят из выражения:
Площадь седла клапана определяют из уравнения:
где S = (05 15) . 10-3м – ширина плоскости контакта клапана и седла.
Принимаем S = 1.10-3 м.
Максимальное усилие прижатия клапана к седлу вычисляется по формуле:
где qmax=(5 10).106 Па – рекомендованное максимальное удельное давление в зоне контакта клапана и седла.
Принимаем qmax=8.106 Па.
Усилие герметизации клапана при Pвых=Рвых рас для регулятора прямого действия рассчитывается по уравнению:
Минимальное удельное давление в зоне контакта клапана и седла обеспечивающее герметизацию канала выхода определяют по формуле:
Усилие вспомогательной пружины при закрытом клапане и нулевом усилии основной пружины для регулятора прямого действия находят из выражения:
Усилие основной пружины в момент открытия клапана при Рвых=Рвых.min для регулятора прямого действия вычисляют по формуле:
Для расчета основной и вспомогательной пружин задают индекс пружин:
где D di – диаметр поперечного сечения стержня пружины м.
Рекомендуемые значения индекса Сi=4 6.
Принимаем: для основной пружины С1=6; для вспомогательной пружины С2=4.
Поправочный коэффициент учитывающий кривизну витков изгиб стержня пружины продольную деформацию зависит от индекса пружины и определяется по формуле:
Диаметр поперечного сечения стержня пружины составляет:
=750 Мпа для кремнистых сталей типа 60С2 или ОВС используемых при изготовлении пружин.
Принимаем d1=00025 м; d2=0002 м.
Диаметр винтовой оси пружины определяют по формуле:
Рекомендуемые значения жесткости пружин составляют Ki=(3 6).104 Нм.
Принимаем K1=5.104 Нм; К2=4.104 Нм.
Число витков пружин находят из выражения:
где G = 8.1010 Па – модуль сдвига для материала пружин.
Принимаем: Z1 = 4; Z2 = 8.
Жесткость пружин рассчитывают из уравнения:
По данным полученным в результате расчетов по пунктам 2 5 и 13 в масштабе 1:1 вычерчиваем регулятор (рис.1).
Построение статической характеристики регулятора.
Статическая характеристика регулятора прямого действия представляет собой ломаную линию 0-1-2 (рис.2) описываемую уравнениями:
Перелом характеристики происходит в точке 1.
Выходное давление в точке 1 равно входному:
Отсюда в соответствии с уравнением (1):
Выходное давление в точке 3 Рвых.3 соответствует расчетному давлению на входе в регулятор и определяется для регулятора прямого действия по выражению:
По вычисленным значениям Рвых.1 и Рвых.3 при соответствующих значениях Рвх строим статическую характеристику Рвых.ст=f(Рвх).
Для построения динамической характеристики регулятора сначала определяем значения входного давления при уменьшении ниже которого начинается интенсивное снижение выходного давления. Такое давление соответствует выходному давлению в точке 2 и опредеояется по выражению
Наименьшая разность давлений ΔРmin зависит от жесткостей основной и вспомогательной пружин и расхода воздуха Gв. Обычно принимают:
ΔРmin=(025 05).Рвых.рас.
Принимаем ΔРmin=04.Рвых.рас=04 . 0252 . 106=0101. 106 Па.
Вычислим выходное давление Рвых.2 в точке 2 по формуле (1):
Температуравоздуха на входе в регулятор соответствует температуре воздуха отбираемого из компрессора ГТУ и определяется по выражению:
где Тн = 288 К – температура воздуха на входе в ГТУ; Рн = 101325 Па – давление воздуха на входе в ГТУ; k =14 – показатель адиабаты.
По статическим параметрам давлений в точках 2 и 3 определим отношения:
Если i > кр = 0528 (для воздуха) т.е. при докритическом перепаде давлений в дросселирующем сечении клапана регулятора коэффициент характеризующий скоростной режим течения воздуха через клапан регулятора определяем по формуле:
где =065 07 – коэффициент расхода. Принимаем =068.
При любом режиме течения воздуха через дросселирующее сечение клапана (докритическом или сверхкритическом) открытие клапана определяется по выражению:
При постоянном расходе воздуха через клапан находят давление на выходе для точек 2д и 3д динамической характеристики регулятора по соответствующим значениям давлений на входе Рвх.i и открытиям клапана hi.
Расчёт для регулятора прямого действия выполняют по формуле:
Соединив точки 0 2д и 3д получают динамическую характеристику регулятора протекающую ниже статической так как при Рвых Рвх и при Рвх меньше чем заданное значение Рвых будет небольшое открытие клапана. При этом клапан утрачивает свое регулирующее значение и представляет собой уже простое гидравлическое сопротивление в связи с чем давление на выходе будет падать так же как и давление на входе отличаясь от него только на величину гидравлических потерь.
Статическая и динамическая характеристики регулятора приведены на рис.2.
Принциниальная схема регулятора постоянного давления прямого действия приведена на рис.2:
– регулировочный винт; 25 – пружины; 3 – шток; 46 – полости; 7 – клапан;
– дросселирующее отверстие; 9 – седло клапана; 10 – поршень.