Устройство для моделирования газотурбинного двигателя

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, содержащее источник напряжения, выпрямительный диод, первый сумматор, -инвертор , последовательно соединенные датчик положения педали топлива и первый блок задания нелинейности, последовательно соединенные инерционное звено, второй блок задания нелинейности , второй сумматор, датчик положения регулируемого соплового аппарата , первый коммутатор, усилитель, блок умножения, интегратор и третий сумматор, выход которого соединен с другими входами датчика положения регулируемого соплового аппарата и первого коммутатора, выход второго блока задания нелинейности через инвертор соединен с другим входом блока умножения, другой вход.интегратора через выпрямительный диод подключен к выходу интегратора, другому входу второго сумматора и первому входу первого сумматора, второй вход которого подключен к источнику напряжения , выход первого сумматора подключен к первому входу инерционного звена, выход которого соединен с другим входом третьего сумматора, отличаю щееся тем, что, с целью повышения точности моделирования и расширения функциональных возможностей путем воспроизведения процесса запуска газотурбинного двигателя , оно дополнительно содержит первую и вторую схемы сравнения, ограничитель напряжения, ограничительный резистор, накопительный конденсатор , первый элемент НЕ, второй и третий коммутаторы, кнопки Пуск и Стоп, последовательно соединенные кнопку выключения батарей, первый элемент И, триггер и четвертый коммутатор, последовательно соединенные датчик топливного крана, второй элемент И и пятый коммутатор, последовательно соединенные второй элемент НЕ и элемент ИЛИ, последовательно соединенные третью схему сравнения и третий элемент НЕ, а также шестой коммутатор, вьжод которого через накопительный конденсатор соединен с выходом ограничителя напряжения и вторым входом инерционно-, го звена, выход которого соединен с входом первой схемы сравнения и информационными входами второго, третьего и шестого коммутаторов, выход второго коммутатора соединен с входом ограничителя напряжения, выход которого соединен с первьм выводом ограничительного резистора, второй вы-, вод которого соединен с выходом третьего коммутатора, выход первой схемы сравнения соединен с другим входом второго элемента И и вторым входом элемента ИЛИ, выход которого сое

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3(51) G 06 С 7/64

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВ,К (21) 3635692/24-24 (22) 07.05.83 (46) 30.10.84 Бюл. В 40 (72) А.А.Бельке (53) 681.333(088.8) (56) 1. "Известия высших учебных зведений. Сер. Машиностроение, Изд. МВТУ им. Баумана, 1965, Ф 12, с. 48.

2. Авторское свидетельство СССР

У 640326, кл. G 06 C 7/62, 1976.

3. Авторское свидетельство СССР

Ф 922811, кл. G 06 G 7/64, 1979 (прототип) . (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, содержащее источник напряжения, выпрямительный диод, первый сумматор, -инвертор, последовательно соединенные датчик положения педали топлива и первый блок задания нелинейности, последовательно соединенные инерционное звено, второй блок задания нелинейности, второй сумматор, датчик положения регулируемого соплового аппарата, первый коммутатор, усилитель, блок умножения, интегратор и третий сумматор, выход которого соединен с другими входами датчика положения регулируемого соплового аппарата и первого коммутатора, выход второго блока задания нелинейности через инвертор соединен с другим входом блока умножения, другой вход интегратора через выпрямительный диод подключен к выходу интегратора, другому входу второго сумматора и первому входу первого сумматора, второй вход которого подключен к источнику напряжения, выход первого сумматора подключен к первому входу инерционного звена, выход которого соединен с другим входом третьего сумматора,. о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности моделирования и расширения функциональных возможностей путем воспроизведения процесса запуска газотурбинного двигат"еля, оно дополнительно содержит первую и вторую схемы сравнения, ограничитель напряжения, ограничительный резистор, накопительный конденсатор, первый элемент НЕ, второй и третий коммутаторы, кнопки "Пуск" и Стоп, последовательно соединенные кнопку выключения батарей, пер- g вый элемент И, триггер и четвертый коммутатор, последовательно соединенные датчик топливного крана, вто. рой элемент И и пятый коммутатор, последовательно соединенные второй .элемент НЕ и элемент ИЛИ, последовательно соединенные третью схему сравнения и третий элемент НЕ, а также шестой коммутатор, выход которого через накопительный конденсатор >ив соединен с выходом ограничителя на- фф пряжения и вторым входом инерционно-, / 10 го звена, выход которого .соединен с входом первой схемы сравнения и информационными входами второго, третье- . го и шестого коммутаторов, выход второго коммутатора соединен с входом ограничителя напряжения, выход кото- ф» рого соединен с первым выводом ограничительного резистора, второй вы-. вод которого соединен с выходом третьего коммутатора, выход первой схемы сравнения соединен с другим входом второго элемента И и вторым входом элемента ИЛИ, выход которого сое

i 121683 динен с другим входом триггера, выход первого блока задания нелинейности через пятый коммутатор соединен с .третьим входом инерционного звена, четвертый вход которого сое-. динен с выходом четвертого коммутато. .ра, сигнальный вход которого подключен к источнику напряжения, выход которого подключен к первому выводу кнопки выключения батарей и первым выводам кнопок "Пуск" и "Стоп", вторые выводы которых соответственно соединены с другим входом первого элемента И и третьим входом элемента

ИЛИ, выход первого элемента НЕ соеди нен с управляющим входом третьего

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть применено в тренажерах для обучения водителей транспортных средств.

Известно устройство для моделиро- «5 вания двигателя внутреннего сгорания, содержащее интегратор, выход которого одновременно соединен с входом модели регулятора и блоком нелинейности f1) .

1О

Известно также устройство для моделирования двигателя внутреннего сгорания, содержащее первый и второй блоки воспроизведения нелинейности, инерционный блок, инвертор, интегратор, регулятор подачи топлива, сумматоры, источник напряжения и компараторы P2) .

Недостатком указанных устройство является то, что с их помощью нельзя моделировать работу газотурбинного двигателя.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для моделирования двигателя внутреннего сгорания, 25 содержащее источник напряжения, ограничительный диод, первый сумматор, первый интегратор, последовательно соединенные датчик положения педали топлива и первый блок нелинейности, gp последовательно соединенные инерцион-. ный блок, второй блок нелинейности, второй сумматор, датчик положения регулируемого соплового аппарата, первый коммутатор, усилитель, блок коммутатора, выход третьего элемента НЕ соединен с управляющими входами второго и шестого коммутаторов, вход второй схемы сравнения подключен к выходу интегратора и первому входу первого сумматора, а выход второй схемы сравнения соединен с управляющим входом первого коммутатора, выход датчика топливного крана соединен также с входом первого эле. мента НЕ., второй вывод кнопки выключения батарей подключен к входу второго элемента НЕ, а выход инерционного звена соединен с входом третьей схемы сравне-ния.

-умножения, интегратор и третий сумматор, выход которого одновременно соединен с вторыми входами датчика положения регулируемого соплового аппарата и первого коммутатора, выход второго блока нелинейности через первый инвертор соединен с вторым входом блока умножения, второй вход интегратора через выпрямительный диод подключен к выходу интегратора и к второму и первому входам соответственно второго и первого сумматоров, второй вход последнего подключен к источнику напряжения, выход первого сумматора подключен к первому входу инерционного блока, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора (31.

Однако известное устройство не моделирует процесс запуска газотурбинного двигателя.

Цель изобретения — повышение точности моделирования и расширение функциональных возможностей путем воспроизведения процессов запуска газотурбинного двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что-устройство для моделирования газотурбинного двигателя, содержащее источник напряжения, выпрямительный диод, первый сумматор, инвертор, последовательно соединенные датчик поЛожения педали топлива и первый блок задания нелинейности, последователь-1": но соединенные инерционное звено, 3 11216 второй блок задания нелинейности, второй сумматор, датчик положения регулируемого соплового аппарата, первый коммутатор, усилитель, блок умйожения, интегратор и третий сумма.тор, выход которого соединен

1 с другими входами датчика положения,регулируемого соплового аппарата и первого коммутатора, выход второго блока задания нелинейности через инвертор соединен с другим входом блока умножения, другой вход интегратора через выпрямительный диод подключен к выходу интегратора, другому входу второго сумматора и перво- 1 му входу первого сумматора, второй вход которого подключен к источнику напряжения, выход первого сумматора подключен к первому входу инерционного звена, выход которого соединен с другим входом третьего сумматора, дополнительно содержит первую и вторую схемы сравнения, ограничитель напряжения, ограничительный резистор, накопительный конденсатор, первый элемент НЕ, второй и третий коммутаторы, кнопки "Пуск" и "Стоп", последовательно соединенные кнопку выключения батарей, первый элемент И, триггер и четвертый коммутатор, по30 следовательно соединенные датчик топливного крана, второй элемент И и пятый коммутатор, последовательно соединенные второй элемент НЕ:и элемент ИЛИ, последовательно соединенные третью схему сравнения и третий 35 элемент НЕ, а также шестой коммутатор, выход которого через накопительный конденсатор. соединен с выходом ограничителя напряжения и вторым входом инерционного звена, выход которого соединен с входом первой схемы сравнения и информационными входами шестого, треть го и второго коммутатора, выход второго коммутатора соединен с входом ограничителя напряже- 45 ния, выход которого соединен с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого соединен с выходом третьего коммутатора, выход первой схемы сравнения соединен с другим входом второго элемента И . и вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с другим входом ( триггера, выход первого блока задания нелинейности через пятый коммута- 55 тор соединен с третьим входом инерционного звена, четвертый вход которого соединен с выходом четвертогг

83 4 коммутатора, сигнальный вход которого подключен к источнику напряжения, выход которого подключен к первому выходу кнопки выключения батарей и первым выводам кнопок "llycxн и

"Стоп", вторые выводы которых соответственно соединены с другим входом первого элемента И и третьим входом элемента ИЛИ, выход первого элемента HE соединен с управляющим входом третьего- коммутатора, выход третьего элемента НЕ соединен с управляющими входами второго и шестого коммутаторов, вход второй схемы сравнения подключен к выходу интегратора и первому входу первого сумматора,. а выход второй схемы сравнения соединен с управляющим входом первого коммутатора, выход датчика топливного крана соединен также с входом первого элемента НЕ,второй вывод кнопки выключения батарей подключен к входу второго элемента НЕ,.а выход инерционного звена соединен с входом третьей схемы сравнения.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 и 3 функциональные зависимости, воспроизводимые соответственно первым и вторым блоками нелинейности.

Устройство для моделирования газотурбинного двигателя содержит кнопку

1 выключения батарей, кнопки "Пуск"

2 и "Стоп" 3, первый И 4, второй элемент 11Е 5, датчик 6 положения педали топлива, второй элемент И 7, первый блок 8 задания нелинейности, триггер

9, элемент ИЛИ 10, выпрямительный диод 11, интегратор 12, пятый 13 и четвертый 14 коммутаторы, первый 15, второй 16 и третий. 17 сумматоры, ограничитель 18 напряжения, ограничительный резистор 19, накопительный конденсатор 20, второй 21, третий 22, шестой 23 коммутаторы, инерционное звено 24, первую схему 25 сравнения, датчик 26 положения регулируемого соплового аппарата, вторую схему 27 сравнения, первый элемент НЕ 28, третью схему 29 сравнения, второй блок 30 задания нелинейности, первыи коммутатор 31, датчик 32 топливного

\ крана, третий элемент НЕ 33, инвертор 34, усилитель 35 и блок 36 умножения.

Ограничитель 18 включает резисторы 37 и диод 38. Звено 24 содержит усилитель 39, резисторы 40 и конденсатор 41.

1121683

Кнопка 1 выключения батарей через элемент И 4 и триггер 9 соединена с коммутатором 14, выход которого соединен с четвертым входом инерцион" ного звена 24, выход которого через З последовательно соединенные второй блок 30 задания нелинейности, сумматор 16, датчик 26 положения РСА, коммутатор 31, усилитель 35, блок 36 умножения, интегратор 12 и сумматор

15 соединен с первым входом инерционного звена 24, выход которого соединен с вторым входом сумматора 17, выход последнего соединен со вторыми входами датчика 26 положения РСА и коммутатора 31, третий вход которого соединен с выходом схемы срав нения 27, вход последнего соединен с вторым входом сумматора 16 и выходом интегратора 12 и через выпря- 20 мительный диод 11 с вторым входом интегратора 12.

Датчик 32 топливного крана через элемент И 7 соединен с коммутатором

13, выход и вход которого соответст- д венно соединены с третьим входом инерционного звена 24 и выходом блока 8 задания нелинейности, вход . последнего соединен с выходом датчика 6 положения педали топлива. Выход инерционного звена 24 через последовательно соединенные схему 29 сравнения и элемент НЕ 33 соединен с первым входом коммутатора 21, второй вход которого через ограничитель

18 напряжения соединен с вторым входом инерционного звена 24, через конденсатор 20 с вторым входом коммутатора 23 и через резистор 19 с вторым входом коммутатора 22, выход которо40

ro одновременно соединен с выходами коммутаторов 21 и 23, инерционного звена 24 и входом схемы 25 сравнения, выход которой соединен с вторыми входами элемента И 7 и элемента

ИЛИ 10, выход последнего соединен

45 с вторым входом триггера 9. Третий вход элемента ИЛИ 10 через кнопку

3 "Стоп" соединен с источником напряжения, выключателем батарей и через кнопку 2 "Пуск" с вторым входом элемента И 4, первый вход которой соединен с другим выводом 1 выключателя батарей и через элемент НЕ 5 с первым входом элемента ИЛИ 10.

Устройство работает следующим образом.

Для запуска двигателя водитель открывает топливный кран. При этом на выходе датчика 32 топливного крана появляется сигнал, соответствующий "1". Датчик топливного крана представляет собой микровыключатель, механически связанный с рукояткой топливного крана. "1" с выхода датчика 32 топливного крана поступает на

4 вход элемента И 7 и на вход элемента HE 28, на выходе которого формируется "0", который в свою очередь, отключает коммутатор 22, в результате чего резистор 19 выключается из обратной связи инерционного звена 24.

Кроме того, при незапущенном двигателе напряжение на выходе инерционного звена 24 равно нулю, а поэтому и сигнал на выходе схем 25 и 29 соответствует "0". В результате на выходе элемента НЕ 33 имеет сигнал который с помощью коммутатора

23 включает конденсатор 20 в цепи обратной связи, чем увеличивается постоянная времени инерционного звена 24, а с помощью коммутатора 21 включает в обратную связь инерционного звена 24 ограничитель 18 напря кения.

Далее водитель включает кнопку 1 выключения батарей, нажимает на

2-3 с и отпускает кнопку 2 "Пуск", в результате чего на обоих входах элемент И 4, а следовательно, и на

его выходе появляется "1". Последняя подается на вход триггера 9, на выходе которого появляется сигнал "1" который с помощью коммутатора 14 подключает к .четвертому входу инерционного звена 24 напряжение, пропорционное крутящему моменту стартера.

На выходе инерционного звена 24 формируется напряжение ll протк порциональное оборотам турбокомпрессора, Запуск газотурбинного двигателя осуществляется автоматически после нажатия и отпускания кнопки "Пуск".

Напряжение 0ц, будет нарастать

1к до тех пор, пока оно не будет ограничено ограничителем 18 напряжения. В этом случае срабатывает схема 25 сравнения, с выхода которой сигнал

"1" через элемент ИЛИ 10 перебрасывает триггер 9 в исходное положение, т.е. на выходе триггера 9 появляется "0", который с помощью коммутатора

14 отключает от четвертого входа звена 24 напряжение, пропорциональное крутящему моменту стартера. Сигнал

"1" с выхода схемы 25 сравнения по7 112168 ступает на второй вход элемента И 7, на выходе которого появляется также сигнал "1", подключающий с помощью коммутатора 13 выход блока 8 к третье- му входу инерционного звена 24, т.е. двигатель считается запущенным и управление напряжением Llы „ производится с помощью датчика 6.

Если необходимо по какой-либо причине прекратить процесс запуска, то водитель нажимает на кнопку 11Стоп" или выключает кнопку 1 выключения батарей. В этом случае через элемент

ИЛИ 10 на вход триггера 9 поступает сигнал "1", который переводит триггер 9 в исходное состояние и тем самым с помощью коммутатора 14 отключает от четвертого входа инерционного звена 24 напряжение, пропорциональное крутящему моменту стартера.

Для вывода двигателя на рабочий режим необходимо сделать перегазовку, для чего водитель нажимает педаль топлива так, чтобы обороты турбокомпрессора превышали 85Х. В этом случае срабатывает схема 29 сравнения, на выходе которой появляется

" 1" и.через элемент НЕ 33 с помощью коммутаторов 21 и 23 отключает соответственно ограничитель 18 и конденсатор 20.

В результате этого появляется возможность с помощью педали топлива устанавливать напряжение ll,„, пропорциональное 100Х, и уменьшается постоянная времени инерционного звена 24, что приводит к более резкому изменению 0ы к в зависимости от положения педали топлива. Этим моделируется факт включения второй группы 4р форсунок в камере сгорания. Причем схема 29 сравнения настроена так, что она срабатывает при U,, пропор-. тк циональном 80-85Х оборотов турбокомпрессора, а обратное ее выключение происходит при Оь „, соответствующем 30-40Х оборотов турбокомпрессорбв, что приводит к остановке двигателя и переводу его в исходное состояние для повторного запуска. где I — момент инерции, приведенный к валу силовой турбины; (д — угловая скорость вращения силовой турбины;

И вЂ” крутящий момент, действующий на силовую турбину;

20 Y-с — момент сопротивления вращения.

Уравнение (1) решается с помощью интегратора 12.

Диод 11 служит для предотвращения

25. раскрутки силовои турбины в противоположную сторону от основного направления вращения, вызываемой напряжением, пропорциональным И

Значение 0, пропорционального

30 M определяется иэ выражения для рабочего режима двигателя (2) И (4тк) 45

Иоделирование выражения в квадрат ных скобках осуществляется при помощи сумматора 16, на который поступает напряжение, пропорциональное оборотам силовой турбины, с интегратора 12 и напряжение, пропорциональное крутящему моменту М, с блока 30.

Блок 30 формирует напряжение, определяемое зависимостью И=1(Я к)при

9. =0 (фиг. 3).

Напряжение, пропорциональное зна- чению выражения в квадратных скобках, поступает на датчик 26. Положение движка датчика 26 определяет веОстановка двигателя осуществляется при закрывании топливного крана.

В этом случае с датчика 32 топливноного крана напряжение равно нулю, что соответствует сигналу "0". Этот сигнал поступает на вход элемента

И 7, на выходе которого появляется сигнал "0", далее этот сигнал с омощью коммутатора 13 отключает выход" ное напряжение блока 8 от входа инерционного звена 24. В результате это" го напряжение Ll на выходе инерционного звена 24 будет уменьшаться до нуля.

Устройство в режиме запущенного двигателя работает следующим образом.

Основное уравнение, на котором основана работа устройства, имеет вид ст ()

dt McT™ñ 7

IIII„<(M„(uт 1 "< u„j 1 (Ытк) э где ц „ — угловая скорость вращения вала турбокомпрессора; — момент, приложенный к силовой турбине, как функция от ыт„прии, =0; — коэффициенты; — коэффициент, определяемый положением лопаток

PCA.

1121683

10 личину коэффициента р, на который умножается значение выражения в квадратных скобках, т.е. на выходе датчика 26 формируется напряжение, пропорциональное значению выражения в 5 квадратных скобах, умноженного на значение коэффициента О . Это напряжение через коммутатор 31 и усилитель 35 поступает на первый вход блока 36 умножения. Коммутатор 31 служит для моделирования переключения работы двигателя из основного режима в тормозной при появлении сигнала на выходе схемы 27 сравнения, моделирующего ограничитель оборотов силовой турбины. Усилитель 35 служит для согласования входа блока 36 умножения с выходом коммутатора 31 по знаку и входному сопротивлению.

С помощью блока 36 умножения напряжение с выхода датчика 26 умножается на напряжение, пропорциональное

M, снимаемого с блока 30. Интк

/ вертор 34 служит для согласования напряжения, пропорционального М(Мт„1

25 по знаку.

Таким образом, на выходе блока 36 формируется напряжение, пропорциональ ное И и поступающее на вход интег- ратора 12, с помощью которого решает- З0 ся уравнение (1).

В случае, если напряжение "мат стигает величины, при которой включается регулятор оборотов силовой турбины, то на выходе первого сумматора З5

15 появляется напряжение, которое поступает на первый вход инерционного блока. Причем это напряжение приходит со знаком, противоположным напряжению с первого блока 8 задания 40 нелинейности, пропорциональному количеству подаваемого топлива, т.е. моделируется снижение подачи топлива в турбокомпрессор, работа которого моделируется с помощью инерционного 45 звена 24. .Работа турбокомпрессора упрощено описывается выражением тк (3)

T — " g =С, ДС

50 где Т вЂ” постоянная времени турбоком" прессора, К вЂ” коэффициент.

ВыРажение (3) Решается с помощью инерционного звена 24, на третий вы" ход которого подается напряжение.с первого блока 8 задания нелинейности. Последний реализует .зависимость между положением датчика 6 подачи топлива h и количеством G подаваемого топлива (фиг. 2).

Таким образом, снижение напряжения на входе инерционного звена 24 эа счет включения сумматора 15 моделирующего регулятор, приводит к уменьшению напряжения Бы на выходе инерционного звена 24, что снижает напряжение на выходе блока 30, т.е. происходит снижение напряжения U ст пропорционального крутящему моменту силовой турбины.

В случае, если и после снижения напряжения U T, напряжение и т воз растает,.то на выходе схемы 27 сравнения, моделирующей работу ограничителя силовой турбины, появляется напряжение, которое с помощью коммутатора 31 подключает выход третьего сумматора 17 и второй вход датчика

26 к входу усилителя 35, что моделиРует переход двигателя в тормозной режим, при котором меняется знак напряжения Оуст, эа счет чего разряжается интегратор 12, а следовательно, снижается напряжение От1

При работе двигателя в тормозном режиме величина момента силовой турбины аппроксимируется следующим обраЗом с 1 <("2 >ст "э< тк1 тк <

Выражение в квадратных скобках моделируется третьим сумматором 17, на первый вход которого поступает напряжение ц у с интегратора 12, на второй вход — напряжение с выхода инерционного звена 24. В остальном устройство работает также, как и в рабочем режиме.

Таким образом, устройство позволяет более точно моделировать работу газотурбинного двигателя эа счет учета характеристики ограничителя оборотов силовой турбины.

Кроме того, устройство позволяет моделировать процесс запуска и остановки двигателя.

Применение предлагаемого устройства в тренажере позволяет обучать водителей процессу запуска и остановки двигателя, что, в свою очередь, повьппает качество обучения водителей транспортных средств с газотурбинным двигателем.

1121683

1121683

Составитель В.Фукалов

Редактор Л.Пчелинская ТехредМ. Гергель Корректор Г.Решетник

Заказ 7983/38 Тираж 698 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4