УСТРОЙСТВО И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ПРИВЕДЕНИЯ В ДВИЖЕНИЕ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА Российский патент 2005 года по МПК F02C9/28 G05D13/62 B64D31/06 G05D7/06 

Предлагаемое изобретение касается устройства регулирования мощности силовой установки приведения в движение несущего винта вертолета, обеспечивающего, говоря более конкретно, помощь пилоту вертолета при пилотировании в аварийном режиме в случае отказа основной системы регулирования скорости вращения несущего винта вертолета.

Предлагаемое изобретение касается также способа регулирования скорости вращения несущего винта, используемого в случае отказа основной системы регулирования.

Турбовинтовые двигатели вертолетов оборудованы системой регулирования, которая выполняет множество различных, более или менее сложных функций. При этом основная функция этой системы регулирования состоит в регулировании в полете мощности, развиваемой турбовинтовым двигателем, таким образом, чтобы обеспечить поддержание скорости вращения несущего винта вертолета по существу на постоянном уровне.

Системы регулирования, имеющие широкое распространение в настоящее время, обычно представляют собой электронные системы регулирования, снабженные аварийным устройством регулирования с ручным управлением.

При нормальном функционировании упомянутым выше регулированием управляет электронный вычислитель, который принимает сигналы, поступающие от различных датчиков, и выдает управляющие сигналы, поступающие на различные приводные средства для осуществления автоматического регулирования мощности, развиваемой двигателем вертолета. В случае отказа, затрагивающего электронную систему регулирования и приводящего к неспособности вычислителя обеспечить регулирование мощности, развиваемой двигателем, пилот вертолета должен, посредством аварийного устройства с ручным управлением, вручную регулировать мощность, развиваемую турбовинтовым двигателем вертолета в функции потребностей, возникающих в результате маневров вертолета (увеличение шага несущего винта, уменьшение шага несущего винта, выполнение посадки и т.п.). Вследствие этого пилотажная нагрузка существенно возрастает. Действительно, в этой ситуации пилот должен вручную регулировать в каждый момент времени расход топлива, поступающего в турбовинтовой двигатель. Это особенно затруднительно делать на вертолете, имеющем один двигатель, поскольку в этом случае любой маневр вертолета требует специфического ручного регулирования расхода топлива.

Таким образом, необходимо, чтобы пилот был соответствующим образом обучен и натренирован для этой специфической ситуации. Однако для того, чтобы уменьшить опасность, которая может оказаться следствием недостаточной тренированности пилота в этом смысле, производители турбовинтовых двигателей вынуждены гарантировать предельно низкую вероятность отказа для основной системы регулирования, что приводит к повышению ее сложности и, соответственно, к удорожанию такой системы регулирования.

Объектом предлагаемого изобретения является достаточно простое устройство относительно небольшой стоимости, которое позволяет улучшить регулирование мощности силовой установки в случае отказа основной системы регулирования и облегчить пилотирование вертолета в аварийном режиме.

Объектом предлагаемого изобретения также является устройство регулирования, повышающее безопасность полета в случае отказа основной системы регулирования и менее дорогостоящее в реализации.

Устройство регулирования мощности силовой установки приведения в движение несущего винта вертолета в соответствии с предлагаемым изобретением содержит средство дозирования расхода топлива, электронное устройство управления, содержащее средство приема входного сигнала, соответствующего скорости вращения несущего винта (NP), средство обработки этого входного сигнала, содержащее элемент дифференцирования и элемент суммирования, а также пороговый компаратор, принимающий выходной сигнал, поступающий из этого средства обработки. Приводное устройство регулирования принимает выходной сигнал электронного устройства управления и плавным образом приводит в действие средство дозирования расхода топлива в направлении увеличения расхода, снижения расхода или поддержания этого расхода топлива на неизменном уровне.

Такое устройство является особенно простым по конструкции, легко устанавливается на вертолете и применяется без затруднений вследствие того, что в нем не используется ручное управление и отсутствуют соответственно всякие рукоятки, системы тяг и рычагов, угловые редукторы и т.п. При этом в случае отказа основной системы регулирования пилот вертолета больше не должен вручную управлять расходом топлива, который теперь регулируется автоматически.

Пилотирование вертолета в случае отказа основной системы регулирования существенно облегчается по отношению к пилотированию в аварийном режиме с ручным регулированием мощности двигателя. Действительно, в этом случае пилот должен просто использовать мягкую и плавную манеру пилотирования, не допуская резких маневров и стараясь соблюдать границы максимального режима работы двигателя, а также границы момента и скорости вращения несущего винта вертолета. При этом пилот больше не должен заботиться о расходе топлива, который автоматически контролируется при помощи устройства согласно предлагаемому изобретению. В частности, пилот больше не должен вручную регулировать в каждый момент времени расход топлива для того, чтобы адаптировать его к потребностям в развиваемой двигателем мощности, порождаемым маневрами вертолета, такими, например, как увеличение шага винта, уменьшение шага винта, выполнение посадки и т.п.

В предпочтительном способе реализации приводной механизм регулирования представляет собой электрическое устройство, а электронное устройство управления дополнительно содержит средство электрического питания приводного механизма регулирования.

Пропускающий фильтр низких частот может быть предусмотрен для осуществления фильтрации входного сигнала.

Компаратор предпочтительным образом содержит предварительно определенные верхний порог и нижний порог.

Приводной механизм регулирования предпочтительно сконструирован таким образом, чтобы относительно медленно воздействовать на скорость, и предпочтительно содержит упор минимального положения. Таким образом, автоматически обеспечивается эффект интегрирования сигнала. Кроме того, ограничение скорости изменения расхода топлива позволяет обеспечить разгон двигателя без риска возникновения помпажа. К тому же, упор минимального положения позволяет снижать скорость вращения двигателя без риска его самовыключения.

Приводной механизм регулирования может представлять собой, например, электрический двигатель постоянного тока, скорость вращения которого является постоянной для заданного напряжения электрического питания, или же шаговый электрический двигатель.

Средство дозирования расхода топлива может иметь в своем составе вспомогательный дозатор расхода топлива, взаимодействующий с основным дозатором расхода топлива, причем этот вспомогательный дозатор действует параллельно с основным дозатором для добавления расхода топлива к тому его расходу, который имел место в момент отказа, и действует последовательно с этим основным дозатором для уменьшения расхода топлива. В качестве варианта реализации это средство дозирования может представлять собой единый орган дозирования, управляемый шаговым двигателем с двумя входами, причем один из этих входов приводится в действие от основной системы регулирования, а другой вход приводится в действие от устройства в соответствии с предлагаемым изобретением в случае отказа основной системы регулирования.

Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением особенно хорошо приспособлено к случаю, когда силовая установка вертолета содержит один турбовинтовой двигатель.

Предлагаемое изобретение касается также, в более общем смысле, способа регулирования мощности силовой установки приведения в движение несущего винта вертолета в случае отказа основной системы регулирования, в соответствии с которым обеспечивается автоматическое управление увеличением или уменьшением расхода топлива, подаваемого в двигатель силовой установки, по отношению к тому расходу топлива, который имел место в момент отказа основной системы регулирования, в функции скорости вращения несущего винта (NP).

Использование скорости вращения несущего винта в качестве единственного входного сигнала позволяет применять способ в соответствии с предлагаемым изобретением, в котором применяются особенно простые и недорогие средства.

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания примера его реализации, где даются ссылки на приведенные фигуры, среди которых:

фиг.1 представляет собой функциональную схему, иллюстрирующую общий принцип действия устройства в соответствии с предлагаемым изобретением;

фиг.2 представляет собой функциональную схему, демонстрирующую пример практической реализации устройства в соответствии с предлагаемым изобретением.

Устройство регулирования мощности силовой установки приведения в движение несущего винта вертолета в соответствии с предлагаемым изобретением, схематически проиллюстрированное на фиг.1, содержит электронное устройство управления 1, принимающее входной сигнал NP, соответствующий скорости вращения несущего винта. Это электронное устройство управления связано с приводным механизмом регулирования 2, который принимает выходной сигнал от электронного устройства управления 1 и который плавно воздействует на средство 3 дозирования расхода топлива, причем этот расход топлива подается затем в двигатель силовой установки приведения в движение несущего винта вертолета при помощи системы трубопроводов, схематически представленной позицией 4, и само это топливо поступает из не показанного здесь топливного бака через систему трубопроводов, схематически представленную позицией 5. Приводной механизм регулирования 2 позволяет обеспечить при помощи средства дозирования 3 постепенное увеличение или постепенное уменьшение расхода топлива в соответствии с сигналом, принимаемым от электронного устройства управления 1.

Электронное устройство управления 1 и приводной механизм регулирования 2, связанный со средством дозирования 3, образуют в совокупности устройство регулирования в аварийном режиме, способное, в соответствии с предлагаемым изобретением, управлять расходом топлива, подаваемого в двигатель силовой установки, например, в турбовинтовой двигатель, таким образом, чтобы увеличить или уменьшить этот расход топлива по отношению к тому расходу топлива, который имел место в момент отказа основной системы регулирования.

Фиг.1 также схематически представляет и основную систему регулирования, запитывающую турбовинтовой двигатель топливом при нормальном функционировании, то есть при отсутствии ее отказов. В этом случае основная система регулирования 6 воздействует на основное средство дозирования 7 таким образом, чтобы обеспечить подачу в турбовинтовой двигатель через систему трубопроводов 4 расхода топлива, соответствующего в каждый момент времени фактическим условиям полета вертолета.

Как известно, основная система регулирования позволяет в полете регулировать мощность, развиваемую двигателем, для того, чтобы поддерживать скорость вращения несущего винта вертолета по существу на постоянном уровне. Устройство регулирования мощности двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет компенсировать функциональную недостаточность основной системы регулирования 6 в случае ее отказа, и без того, чтобы пилот был вынужден осуществлять особенно точное ручное регулирование этой мощности.

В способе реализации, проиллюстрированном на фиг.1, средство дозирования топлива 3 выполнено отличным от основного средства дозирования 7. Средство дозирования 3 действует параллельно с основным средством дозирования 7 для увеличения расхода топлива и последовательно с этим основным средством дозирования 7 для уменьшения расхода топлива по отношению к тому расходу, который имел место в момент отказа.

В способе реализации, схематически проиллюстрированном на фиг.2, можно видеть электронное устройство управления 1, которое в качестве единственного входного сигнала принимает сигнал NP, соответствующий скорости вращения несущего винта. Это электронное устройство управления 1 содержит средство приема 8 сигнала NP, вслед за которым располагается фильтрующее устройство 9, выполненное, например, в форме пропускающего фильтра низкой частоты. Выходной сигнал этого фильтрующего устройства 9 подается через соединительный элемент 10 на дифференцирующий элемент 11 и через соединительный элемент 12 на суммирующее устройство 13. Выходной сигнал суммирующего устройства 13 имеет, таким образом, вид NP + K.dNP/dt. Этот сигнал передается через соединительный элемент 14 в пороговый компаратор 15, содержащий элемент сравнения с верхним порогом 15а и элемент сравнения с нижним порогом 15b. Величины, соответствующие верхнему порогу и нижнему порогу, передаются в элементы сравнения 15а и 15b через соединительные элементы 16а и 16b.

Таким образом, этот пороговый компаратор 15 производит сравнение сигнала NP + K.dNP/dt с верхним порогом и с нижним порогом. Компаратор 15 выдает выходной сигнал на один из своих выходов 17а, 17b, связанных с устройством 18 электропитания, управляющим приводным механизмом регулирования 2. Таким образом, управление приводным механизмом регулирования 2 осуществляется по принципу "все или ничего" в направлении увеличения расхода топлива в том случае, если величина сигнала NP + K.dNP/dt оказывается меньше нижнего порога, или в направлении уменьшения расхода топлива в том случае, если величина этого сигнала NP + K.dNP/dt оказывается больше верхнего порога. При отсутствии сигнала на выходе компаратора 15, то есть в том случае, когда величина сигнала NP + K.dNP/dt располагается между верхним и нижним порогами, приводной механизм регулирования 2 не действует и расход топлива соответственно остается на неизменном уровне.

Таким образом, устройство в соответствии с предлагаемым изобретением действует так, чтобы поддерживать величину сигнала NP в диапазоне между предварительно определенными значениями верхнего и нижнего порогов, что приводит к поддержанию скорости вращения несущего винта вертолета также в диапазоне между двумя предварительно определенными пороговыми значениями.

Производное "K.dNP/dt" позволяет обеспечить упреждающее управление приводным механизмом регулирования 2, как только изменение потребности в развиваемой мощности вызывает изменение скорости вращения несущего винта вертолета, то есть величины сигнала NP.

Электрический приводной механизм регулирования 2 предпочтительным образом перемещается с относительно малой скоростью. Кроме того, этот приводной механизм предпочтительно содержит упор минимального положения. Так обеспечивают ограничение скорости изменения расхода топлива, о чем уже было сказано выше, и ограничение расхода топлива на малой величине, что позволяет, таким образом, обеспечить разгон турбореактивного двигателя без риска возникновения помпажа и снижение оборотов двигателя без риска его самовыключения.

Электрический приводной механизм регулирования 2 может представлять собой электрический двигатель постоянного тока или электрический шаговый двигатель, обеспечивающий относительно малую скорость перемещения.

Устройство 18 электропитания приводного механизма регулирования 2 может обеспечивать либо управление постоянной скоростью перемещения, либо управление скоростью перемещения, зависящей от сигнала NP и от направления перемещения.

Электронное устройство управления 1 в целом может быть реализовано многими способами. Так, например, в нем могут быть использованы операционные усилители, позволяющие реализовать аналоговое электронное устройство. Можно также использовать программируемые цифровые компоненты типа EPLD, специально разработанные компоненты типа ASIC или даже применить микропроцессор, управляемый программным обеспечением, позволяющим реализовать описанные выше функции.

Это электронное устройство управления 1 может быть размещено в специальном блоке, соответствующем аварийному функционированию системы регулирования, или же наоборот, может быть интегрировано в блок, реализующий одновременно и другие функции управления вертолетом.

Устройство регулирования в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет, при незначительном увеличении стоимости изготовления, предложить способ аварийного функционирования в случае отказа основной системы регулирования, использование которого пилотом является значительно более простым, легким и более надежным, чем использование аварийного устройства с чисто ручным управлением.

В случае отказа основной системы регулирования устройство в соответствии с предлагаемым изобретением автоматически управляет увеличением или уменьшением расхода топлива, подаваемого в двигатель силовой установки, по отношению к тому расходу, который имел место в момент отказа, и делает это в функции только скорости вращения несущего винта вертолета. В результате этого нагрузка на пилота, управляющего вертолетом, оказывается значительно меньшей по сравнению с нагрузкой, являющейся следствием использования аварийного устройства с ручным управлением обычного типа. Действительно, благодаря устройству регулирования в соответствии с предлагаемым изобретением пилот должен просто перейти к мягкому и плавному пилотированию и стараться соблюдать границы функционирования, одновременно относящиеся к двигателю и к полету вертолета. При этом расход топлива автоматически контролируется при помощи устройства регулирования в соответствии с предлагаемым изобретением.

Это упрощение оказывается особенно существенным на вертолете, имеющем один двигатель, когда любой маневр вертолета требует ручного регулирования расхода топлива.

Таким образом, устройство регулирования в соответствии с предлагаемым изобретением повышает безопасность полета, поскольку оно в меньшей степени требует сноровки и умения со стороны пилота. С другой стороны, благодаря этому устройству больше нет необходимости проводить специальные тренировки пилота по пилотированию вертолета в аварийном режиме, что представляет существенную экономическую выгоду для авиаперевозчика.

Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением также может позволить снизить требования к надежности, безопасности и готовности к работе основной системы регулирования. Действительно, возможность иметь в распоряжении надежный и легко осуществляемый в случае отказа основной системы режим аварийного функционирования позволяет допустить повышение коэффициента приемлемых отказов для этой основной системы регулирования.

Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением особенно хорошо приспособлено для турбовинтовых двигателей, установленных на однодвигательных вертолетах, с точки зрения существенного выигрыша в простоте и легкости использования для пилота по отношению к аварийному устройству с чисто ручным управлением. Кроме того, в этом случае устройство в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет снизить стоимость изготовления, поскольку аварийные устройства регулирования с ручным управлением требуют использования устройства привода с вращающейся рукояткой, сложного в изготовлении и имеющего значительную стоимость.

Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением также может быть использовано на двухдвигательных вертолетах. В этом случае для исключения слишком значительного дисбаланса нагрузки между двумя двигателями может оказаться необходимым предусмотреть определенную автоматическую коррекцию законов регулирования работы двигателя, оставшегося в режиме нормального функционирования, в том случае, когда другой двигатель переходит в режим аварийного функционирования.

Реализация устройства в соответствии с предлагаемым изобретением является особенно простой вследствие того, что на его входе используется только один параметр, а именно, скорость вращения несущего винта, а также вследствие того, что необходимая функция расчета является достаточно простой (сравнение суммы сигнала скорости вращения и производной этого сигнала с двумя предварительно определенными пороговыми значениями) и что электрический приводной механизм регулирования используется в режиме "все или ничего" для управления увеличением расхода топлива, уменьшением расхода топлива или для поддержания этого расхода топлива на неизменном уровне.

Изобретение относится к системам управления и может быть использовано, в частности, в системах управления силовыми установками летательных аппаратов, например, вертолетов. Устройство содержит средство дозирования расхода топлива, электронное устройство управления, содержащее средство приема входного сигнала, соответствующего скорости вращения несущего винта (NP), средство обработки этого входного сигнала, содержащее элемент дифференцирования и элемент суммирования, а также пороговый компаратор. Элемент суммирования установлен таким образом, чтобы определять сумму сигнала скорости вращения несущего винта (NP) и производной этого сигнала (K.dNP/dt). Пороговый компаратор содержит верхний порог и нижний порог, принимает выходной сигнал элемента суммирования и выдает выходной сигнал в приводной механизм регулирования. Способ заключается в управлении силовой установкой по принципу «все или ничего», в направлении либо плавного увеличения, либо плавного уменьшения, либо сохранения на неизменном уровне расхода топлива, подаваемого в двигатель силовой установки, по отношению к тому расходу топлива, который имел место в момент отказа основной системы регулирования. Управление производится в функции скорости вращения несущего винта (NP). Технический результат заключается в упрощении пилотирования в аварийном режиме, повышении безопасности полета и снижении стоимости резервной системы управления. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство регулирования мощности силовой установки приведения в движение несущего винта вертолета, содержащее средство дозирования расхода топлива, электронное устройство управления (1), содержащее средство (8) приема входного сигнала, соответствующего скорости вращения несущего винта (NP), средство обработки этого входного сигнала, содержащее элемент дифференцирования (11) и элемент суммирования (13), отличающееся тем, что элемент суммирования установлен таким образом, чтобы определять сумму сигнала измеренной скорости вращения несущего винта (NP) и производной этого сигнала (K.dNP/dt), причем пороговый компаратор (15), содержащий верхний порог и нижний порог, принимает выходной сигнал этого элемента суммирования и выдает выходной сигнал в приводной механизм регулирования (2), представляющий собой электрический двигатель, способный плавно воздействовать на средство (3) дозирования расхода топлива, причем сигнал на выходе порогового компаратора является сигналом, сформированным по принципу «все или ничего», обеспечивающим либо вращение электрического двигателя приводного механизма регулирования в том или ином направлении, либо остановку вращения указанного электрического двигателя, вызывая тем самым либо плавное увеличение расхода топлива, либо плавное уменьшение расхода топлива, либо сохранение расхода топлива на неизменном уровне.2. Устройство регулирования по п.1, отличающееся тем, что приводной механизм регулирования представляет собой электрическое устройство, причем электронное устройство управления дополнительно содержит средство (18) электропитания приводного механизма регулирования.3. Устройство регулирования по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что пропускающий фильтр низких частот (9) осуществляет фильтрацию входного сигнала.4. Устройство регулирования по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что приводной механизм регулирования относительно медленно воздействует на скорость и содержит упор минимального положения.5. Устройство регулирования по п.4, отличающееся тем, что приводной механизм регулирования представляет собой электрический двигатель постоянного тока, скорость вращения которого является постоянной для заданной величины напряжения электропитания.6. Устройство регулирования по п.4, отличающееся тем, что приводной механизм регулирования представляет собой шаговый электрический двигатель.7. Устройство регулирования по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что средство дозирования расхода топлива содержит вспомогательный дозатор (3) топлива (3), действующий параллельно с основным дозатором (7) топлива.8. Устройство регулирования по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что двигатель силовой установки представляет собой турбовинтовой двигатель.9. Способ регулирования мощности силовой установки приведения в движение несущего винта вертолета в случае отказа основной системы регулирования, отличающийся тем, что обеспечивают управление по принципу «все или ничего» в направлении либо плавного увеличения, либо плавного уменьшения, либо сохранения на неизменном уровне расхода топлива, подаваемого в двигатель силовой установки, по отношению к тому расходу топлива, который имел место в момент отказа основной системы регулирования, причем управление производится в функции измеренной скорости вращения несущего винта (NP).10. Вертолет, содержащий силовую установку приведения в движение его несущего винта и основную систему регулирования, обеспечивающую подачу топлива в двигатель этой силовой установки при помощи средства дозирования расхода топлива, отличающийся тем, что вертолет оборудован аварийным устройством регулирования на случай отказа основной системы регулирования, содержащим электронное устройство управления (1), содержащее средство (8) приема входного сигнала, соответствующего измеренной скорости вращения несущего винта (NP), средство обработки этого входного сигнала, содержащее элемент дифференцирования (11) и элемент суммирования, установленный таким образом, чтобы определять сумму сигнала, соответствующего скорости вращения несущего винта (NP), и производной этого сигнала (K.dNP/dt), и пороговый компаратор (15), содержащий верхний порог и нижний порог и принимающий выходной сигнал этого элемента суммирования и выдающий выходной сигнал в приводной механизм регулирования (2), выполненный в виде электрического двигателя и способный воздействовать на средство (3) дозирования расхода топлива, причем сигнал на выходе порогового компаратора является сигналом, сформированым по принципу «все или ничего», обеспечивающим либо вращение электрического двигателя приводного механизма регулирования в том или ином направлении, либо остановку вращения указанного электрического двигателя, вызывая тем самым либо плавное увеличение расхода топлива, либо плавное уменьшение расхода топлива, либо сохранение расхода топлива на неизменном уровне.