Цель.
Разработать модель, рабочую последовательность компенсирования утечек воздуха и способы его реализации (компенсатора утечек), предотвращающие воздействие на экипаж самолета больших разниц падения или изменения барометрического давления в герметической кабине.
Результаты. Рассмотрена система автоматического регулирования давления воздуха в Герметичной кабине воздушного судна. Приведена математическая модель Системы Автоматического Регулирования Давления с компенсатором утечек.
Практическая значимость.
Для нештатных утечек воздуха из кабины пилотов самолета в большом объёме созданы условия для предотвращения воздействия на экипаж разгерметизации.
Регулятор давления с компенсированием утечек воздуха
Одной из самых небезопасных обстановок при выполнении высотного полета в прогрессивной авиации остается разгерметизация герметичной кабины пилотов самолета. При огромных, неожиданных утечках воздуха на экипаж невесомого судна влияют гигантские по величине и скорости конфигурации барометрического давления. Защищенность экипажа при разгерметизации в высотном полете в ведущем ориентируется эффективностью самодействующих технических средств защиты.
Алгоритм компенсирования утечек воздуха
Рассматривается система автоматического регулирования давления (САРД) воздуха в ГК самолета [1, 2]. Система включает в себя два контура управления расходом воздуха с регулирующими органами – управляемыми заслонками на входе и выходе ГК. Контур управления расходом воздуха на входе - регулятор подачи (РП), а на выходе - регулятор давления (РД). Схема, отражающая предлагаемый алгоритм компенсирования утечек воздуха, реализуемый цифровым вычислителем, приведена на рис. 1. Полагаем, что измеряются (вычисляются) следующие параметры: давление и температура
в ГК; давление атмосферы
; положение заслонки РД
; текущий расход через РП
; скорость изменения давления в ГК
. (вычисляется по показаниям датчика давления).
Рисунок 1. Схема, отражающая алгоритм компенсирования утечек воздуха
Пусть – стабильный заданный расход воздуха через регулятор подачи, который обеспечивает заданную вентиляцию кабины
(без утечек воздуха), в штатном режиме работы системы автоматического регулирования давления выполняется равенство
=
. При этом принимается, что регулирование давления воздуха выполняет регулятор давления, а регулятор подачи поддерживает постоянный заданный расход
на наддув воздуха в кабину пилотов. Рассмотрим управление регулятор подачи, которое учитывает вычисляемые утечки из герметичной кабины воздушного судна и, компенсирует их увеличением наддува воздуха.
Текущая скорость падения давления в герметичной кабине связана с расходами воздуха при подаче его в кабину и из кабины известным равенством [3]:
, (1)
где - текущий расход через РП;
- утечки из кабины пилотов,
- регулируемый расход на сброс из ГК в атмосферу.
Давление воздуха в Герметичной кабине измеряется в конкретные моменты времени: - давление в момент
,
= 0,1,2...; Tt =
-
- период дискретности. Скорость изменения давления вычисляется по последним двум измерениям:
, (2)
из первых двух равенств следует, что в момент при известном нынешнем расходе
через заслонку регулятор давления вычисленные утечки воздуха
соответствующие скорости
. Падения давления в ГК, равны
, (3)
Определение расхода . через заслонку Регулятора давления возможно, если измеряется угол отклонения
;, заслонки. Тогда площадь
;. дросселя заслонки регулятора давления найдем из уравнения.
(4)
где - площадь поперечного сечения трубопровода.
Расход воздуха на выброс из герметичной кабины в атмосферу [3] будет равен
(5)
Для компенсирования нештатных утечек воздуха неизменный установленный его расход через заслонку регулятора подачи дополняется вычисленным расходом на компенсацию утечек. Следовательно узел управления регулятор подачи поддерживает в общем случае переменный заданный расход воздуха: =
+
Математическая модель системы автоматического регулирования давления с компенсатором утечек.
На рис. 2 приведена математическая модель системы автоматического регулирования давления с компенсатором. Модель представлена в виде структурной динамической схемы. Приводы заслонок и датчики обратных связей показаны в операторной форме - передаточными функциями.
Коэффициенты управления по положению» ,
в контурах регулятора подачи и давления заблаговременно определяются на основе использования характеристик быстродействия и устойчивости любого контура при минимальном количестве статической ошибки.
Регулятор подачи воздуха в герметичной кабине представлен в двух типах. Вверху показана схема регулятора подачи, демонстрирующая его конструктивные особенности. Датчик обратной связи по расходу воздуха включает в себя трубку Вентури, к которой подключены датчик абсолютного давления , в узком сечении трубки, датчик перепада давления
и датчик температуры. По показаниям этих датчиков вычисляется массовый расход воздуха
, который проходит через заслонку регулятора подачи. Рассогласование между заданным расходом
и текущим
после преобразования (коэффициентом управления
) управляет электроприводом заслонки.
В нижней части рис. 2 показана структурная динамическая схема регулятор подачи воздуха с учетом компенсатора утечек на входе. Вычислению утечек воздуха способствует определение его расхода через заслонку регулятора давления на сброс в атмосферу.
Рисунок 2. Математическая модель системы автоматического регулирования давления с компенсатором утечек
Математическую модель привода заслонки РП запишем в виде. Полагаем, что заслонка симметрична относительно набегающего потока воздуха, и шарнирный момент, воздействующий на привод нулевой. Динамика датчика расхода воздуха учитывается апериодическим звеном с единичным коэффициентом усиления, который подтверждает, что расходы воздуха на входе и выходе трубки Вентури в режиме будут одинаковы. Постоянная времени
задается эмпирически.
устойчивость контура. Пунктирными линиями на рис. 2 обозначена связь регулируемого давления с Привод заслонки контура РД имеет обратную связь по положению заслонки, которая обеспечивает уравнениями расхода через заслонки РП и РД, аналогичными уравнению (5).
Результаты моделирования
B рамках данной научной работы рассматривается принципиальная возможность автоматического компенсирования утечек воздуха из герметичной кабины. Особенности реализации компенсатора цифровым вычислителем, влияние на динамику и статику системы автоматического регулирования давления, динамики и статики компенсатора, а также влияние утечек воздуха на температуру в герметичной кабине здесь не рассматриваются. Нештатная утечка в герметичной кабине представляет как возмущение - дополнительное ступенчатое изменение расхода воздуха из ГК (см. рис. 1 и 2).
Заключение
В результате проведенных исследований были сделаны следующие выводы:
1)Моделированием функционирования системы автоматического регулирования давления при наличии ступенчатой утечки воздуха из герметичной кабины подтверждается принципиальная возможность автоматического устранения последствий утечки воздуха из ГК;
2)Сравнительно небольшие утечки, не превышающие разности между заданным расходом воздуха через регулятор подачи на наддув и расходом на сброс в атмосферу через регулятор давления, автоматически компенсируются через регулятор давления.
Список литературы
- Дмитрий В.Н., Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. М.: Машиностроение. 1973.
- Кучевский С.В., Онуфриенко В.В. Повышение защиты экипажа воздушного судна от декомпрессии при разгерметизации герметической кабины. Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж).
- Кастерский С.М., Харьков В.П., Чернуха В.Н. Синтез оптимального цифрового управления давлением газа в бортовых кислородных системах // М.: Информационно-измерительные и управляющие системы. 2016. Т. 14. № I