PL198210B1 - Urządzenie oraz sposób regulowania mocy zespołu napędowego wirnika śmigłowca - Google Patents

Abstract

1. Urz adzenie do regulowania mocy zespo lu nap edowego wirnika smig lowca w przypadku awarii g lównego uk ladu regulacyjnego, zawie- rajace element dozuj acy nat ezenie przep lywu paliwa, elektroniczne urz adzenie steruj ace (1) zawieraj ace element (8) przyjmuj acy sygna l wej- sciowy odpowiadaj acy pr edko sci obrotowej wirni- ka (NP), element do obróbki tego sygna lu wej- sciowego zawieraj acy element ró znicuj acy (11) i element sumuj acy, znamienne tym, ze ele- ment sumuj acy (13) jest osadzony w taki spo- sób, ze nalicza on sum e sygna lu pr edko sci obrotowej (NP) oraz jej pochodn a (K.d/NP/dt), a sygna l wyj sciowy elementu sumuj acego (13) otrzymywany jest przez komparator progowy (15), po czym sygna l wyj sciowy wysy lany jest w kie- runku urz adzenia wykonawczego (2) zdolnego do progresywnego uruchamiania elementu (3) dozuj acego natezenie przep lywu paliwa w spo- sób zwi ekszaj acy lub zmniejszaj acy nat ezenie przep lywu. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest urządzenie do regulowania mocy zespołu napędowego wirnika śmigłowca, umożliwiające pilotaż w szczególnie bezpieczny sposób podczas awarii głównego układu regulacyjnego prędkości obrotowej wirnika śmigłowca.

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest również sposób regulowania w przypadku awarii głównego układu regulacyjnego. Silniki turbinowe śmigłowców są wyposażone w układ regulacyjny, który spełnia wiele funkcji, mniej lub bardziej złożonych. Zasadniczą funkcją układu regulacyjnego jest jednakże regulowanie podczas lotu mocy wyzwalanej przez silnik turbinowy, aby utrzymać prędkość obrotową wirnika śmigłowca na poziomie zasadniczo stałym.

Układy regulacyjne, które najczęściej spotykamy obecnie stanowią elektroniczne układy regulacyjne, wyposażone w ręcznie sterowane urządzenie bezpieczeństwa.

Przy nominalnym funkcjonowaniu, regulacji dokonuje się za pośrednictwem komputera elektronicznego, który przyjmuje sygnały pochodzące z różnych czujników i steruje różnymi blokami wykonawczymi celem automatycznego regulowania mocy wyzwalanej przez silnik. W przypadku awarii elektronicznego układu regulacyjnego, co doprowadza komputer do stanu niezdolności regulowania mocy wyzwalanej przez silnik, pilot śmigłowca powinien, za pośrednictwem ręcznie sterowanego urządzenia bezpieczeństwa, ustawić ręcznie prędkość wyzwalaną przez silnik turbinowy w zależności od potrzeb uzależnionych od manewrów wykonywanych śmigłowcem (wprowadzanie w skok, obniżanie skoku, lądowanie, itd.). Trudność pilotażu wydaje się być znacznie zwiększona. W rezultacie, pilot musi w każdej chwili ręcznie ustawiać natężenie przepływu paliwa, które zasila silnik turbinowy. Jest to szczególnie konieczne w śmigłowcach jednosilnikowych, w których każdy manewr śmigłowcem wymaga precyzyjnego ręcznego ustawienia natężenia przepływu paliwa.

Wymaga to zatem prawidłowego wyszkolenia pilota znajdującego się w takiej szczególnej sytuacji. Lecz, aby zmniejszyć ryzyko wynikające z niewystarczającego wyszkolenia pilota, konstruktor silnika turbinowego jest zobowiązany do zagwarantowania bardzo czułego wskaźnika awarii dla głównego układu regulacyjnego, co pociąga za sobą większą złożoność, a więc i podrożenie całego układu regulacyjnego.

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest proste i niedrogie urządzenie umożliwiające poprawę regulowania mocy zespołu napędowego w przypadku awarii głównego układu regulacyjnego i ułatwienie pilotażu w bezpieczny sposób.

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest również urządzenie regulujące, które podnosi bezpieczeństwo w przypadku awarii i nie wymaga dużego nakładu kosztów.

Urządzenie do regulowania mocy zespołu napędowego wirnika śmigłowca według wynalazku zawiera element dozowania natężenia przepływu paliwa, elektroniczne urządzenie sterujące, ma element przyjmujący sygnał wejściowy, odpowiadający prędkości obrotowej wirnika (NP), element przetwarzania tego sygnału wejściowego zawierający element różnicujący oraz element sumujący, jak również komparator progowy odbierający sygnał wyjściowy tego elementu przetwarzania. Urządzenie wykonawcze przyjmuje sygnał wyjściowy elektronicznego urządzenia sterującego i uruchamia, w sposób progresywny element dozowania natężenia przepływu paliwa w sposób zwiększający natężenie przepływu, zmniejszający natężenie przepływu lub pozostawienie natężenia przepływu paliwa bez zmian.

Tego rodzaju urządzenie jest szczególnie proste oraz łatwe do zainstalowania i stosowania z tego względu, że nie wymaga ono żadnego sterowania ręcznego, dzięki czemu pomija się dźwignię ręczną, mechanizm cięgłowy, przekładnię zębatą stożkową, itd. W przypadku awarii głównego układu regulacyjnego pilot śmigłowca nie ma już obowiązku ręcznego sterowania natężeniem przepływu paliwa, bo jest ono regulowane automatycznie.

W przypadku awarii głównego układu regulacyjnego, pilotowanie śmigłowcem jest znacznie ułatwione w odniesieniu do pilotażu awaryjnego z ręcznym sterowaniem mocą. W rezultacie, pilot musi po prostu wykonać pilotaż miękki, bez wykonywania gwałtownych manewrów i mieć na względzie granicę prędkości obrotowej silnika, jak również granicę wręgi oraz prędkości wirnika śmigłowca. Pilotowi nie pozostawia się zajmowania natężeniem przepływu paliwa, które jest automatycznie kontrolowane przez urządzenie według wynalazku. W szczególności, pilot nie musi już w każdej chwili regulować natężenia przepływu paliwa celem dostosowania go do potrzeb mocy, które są niezbędne przy manewrach wykonywanych śmigłowcem, jak na przykład wprowadzanie w skok, obniżanie skoku, lądowanie, itd.

PL 198 210 B1

W korzystnym przykładzie wykonania, mechanizm wykonawczy jest urządzeniem elektrycznym, a elektroniczne urządzenie sterujące zawiera, między innymi, element zasilania elektrycznego mechanizmu wykonawczego.

Filtr dolnoprzepustowy może być przewidziany do filtrowania sygnału wejściowego.

Komparator zawiera korzystnie wcześniej ustalony wysoki próg oraz niski próg.

Mechanizm wykonawczy jest korzystnie zaprojektowany tak, aby działał ze stosunkowo niewielką prędkością i ma korzystnie ogranicznik w położeniu minimum. W taki oto sposób otrzymuje się automatycznie efekt integracji sygnału. Ponadto, ograniczenie prędkości zmienności natężenia przepływu paliwa, co jest wynikiem powyższego, umożliwia przyspieszenie pracy silnika, bez ryzyka pompowania. Również ogranicznik, w położeniu minimum, umożliwia zmniejszenie prędkości silnika bez ryzyka zgaśnięcia.

Mechanizmem wykonawczym może być, na przykład, silnik prądu stałego, którego prędkość obrotowa jest stała dla określonego napięcia zasilającego, a nawet silnik skokowy.

Element dozujący natężenie przepływu paliwa może zawierać pomocniczy dozownik paliwa, który współpracuje z głównym dozownikiem, przy czym pomocniczy dozownik działa równolegle z głównym dozownikiem po to, aby zwiększać natężenie przepływu paliwa w stosunku do istniejącego natężenia przepływu, obecnego w chwili awarii i działającego w seriach w stosunku do głównego dozownika dla zwiększenia natężenia przepływu. W innym wariancie przedmiotu według wynalazku, element dozujący może być jedynym elementem sterowanym przez silnik skokowy z podwójnym wejściem, przy czym jedno wejście jest uruchamiane głównym układem regulacyjnym, natomiast drugie, jest uruchamiane urządzeniem według wynalazku, w przypadku awarii głównego układu regulacyjnego.

W szczególności, przedmiot według wynalazku znajduje zastosowanie wtedy, gdy zespół napędowy silnika jest silnikiem turbinowym.

Wynalazek dotyczy również sposobu regulacji mocy zespołu napędowego wirnika śmigłowca w przypadku awarii głównego układu regulacyjnego, zgodnie z którym steruje się automatycznie zwiększeniem lub zmniejszeniem natężenia przepływu paliwa dostarczanego do zespołu napędowego wirnika śmigłowca w stosunku do natężenia przepływu w chwili awarii, w zależności od prędkości obrotowej wirnika (NP).

Wykorzystanie jako jedynego sygnału wejściowego prędkości obrotowej wirnika umożliwia uruchomienie sposobu według wynalazku za pośrednictwem elementów szczególnie mało skomplikowanych i nie wymagających dużego nakładu kosztów.

Wynalazek stanie się bardziej zrozumiały po zapoznaniu się ze szczegółowym opisem praktycznych realizacji przykładowo zilustrowanych na załączonych rysunkach, na których:

- fig. 1 przedstawia schemat blokowy ilustrujący główną zasadę działania urządzenia według wynalazku; oraz

- fig. 2 przedstawia schemat blokowy przedstawiający przykład realizacji urządzenia według wynalazku.

Urządzenie do regulowania mocy zespołu napędowego wirnika śmigłowca według przedmiotowego wynalazku, takie jak przedstawione na fig. 1, zawiera elektroniczne urządzenie sterujące 1 przyjmujące sygnał wejściowy NP, który odpowiada prędkości obrotowej wirnika. Elektroniczne urządzenie sterujące jest połączone z mechanizmem wykonawczym 2, który przyjmuje sygnał wyjściowy z elektronicznego urządzenia sterującego 1 i uruchamia w sposób progresywny element 3 dozujący natężenie przepływu paliwa, przy czym paliwo to jest następnie doprowadzane do silnika napędzającego wirnik układem przewodów przedstawionym na schemacie oznaczeniem 4, a paliwo zostaje doprowadzone ze zbiornika, nie zilustrowanego, przez układ przewodów przedstawiony na schemacie odnośnikiem 5.

Mechanizm wykonawczy 2 umożliwia uzyskanie, za pośrednictwem elementu dozowania 3, progresywnego spadku natężenia przepływu zgodnie z sygnałem przyjętym z elektronicznego urządzenia regulacyjnego 1.

Elektroniczne urządzenie sterujące 1 i mechanizm wykonawczy 2 są połączone z elementem dozującym 3 tworząc całość urządzenia bezpieczeństwa, zdolnego według wynalazku, do sterowania natężeniem przepływu paliwa dostarczanego do silnika, na przykład silnika turbinowego, w taki sposób, że zwiększa się lub zmniejsza natężenie przepływu paliwa w odniesieniu do natężenia przepływu paliwa wcześniej istniejącego w chwili, gdy następuje awaria.

Figura 1 przedstawia również w sposób schematyczny główny układ regulacyjny zasilający silnik turbinowy w paliwo podczas działania nominalnego, to znaczy wtedy gdy awaria nie występuje.

PL 198 210 B1

W takim przypadku, główny układ regulacyjny 6 uruchamia główny element dozujący 7, aby dostarczyć do silnika turbinowego, przez układ przewodów 4, paliwo o natężeniu przepływu dostosowanym w każdej chwili do warunków lotu śmigłowca.

Jak wiadomo, główny układ regulacyjny pozwala podczas lotu na regulowanie mocy dostarczanej przez silnik, aby utrzymać prędkość obrotową wirnika śmigłowca na zasadniczo stałym poziomie. Urządzenie do regulowania mocy według wynalazku umożliwia wyręczenie osłabionego głównego układu regulacyjnego 6 w przypadku awarii tego ostatniego, bez konieczności wykonywania przez pilota ręcznego regulowania, które jest bardzo precyzyjną czynnością.

Zgodnie z przykładem wykonania zilustrowanym na fig. 1, element dozujący paliwo 3 różni się od głównego elementu dozującego 7. Element dozujący 3 działa równolegle z głównym elementem dozującym 7 celem wzmagania natężenia przepływu paliwa i w seriach w stosunku do głównego elementu dozowania 7 do zmniejszania natężenia w stosunku do natężenia przepływu paliwa istniejącego w chwili awarii.

Zgodnie z przykładem wykonania zilustrowanym na fig. 2, znajdujemy elektroniczne urządzenie sterujące 1, przyjmujące jako jedyny sygnał wejściowy sygnał NP, odpowiadający prędkości obrotowej wirnika. Elektroniczne urządzenie 1 zawiera element odbiorczy 8 sygnału NP, za którym znajduje się urządzenie wygładzające 9, na przykład w postaci filtru dolnoprzepustowego. Sygnał wyjściowy filtru 9 jest wysyłany łącznikiem 10 do elementu różnicującego 11, a łącznikiem 12 do urządzenia sumującego. Sygnał wyjściowy członu sumującego 13 ma więc postać NP+K.dNP/dt. Ten sygnał jest transmitowany łącznikiem 14 do komparatora progowego 15, który zawiera komparator wysokiego progu 15a i komparator niskiego progu 15b. Wzajemne wartości wysokiego progu i niskiego progu są doprowadzane do komparatorów 15a i 15b przez łączniki 16a i 16b.

Komparator progowy 15 dokonuje zatem porównania sygnału NP+K.d/NP/dt z progiem wysokim i z progiem niskim. Komparator 15 wysyła sygnał wyjściowy na jednym ze swoich wyjść 17a i 17b połączonych z urządzeniem 18 zasilania elektrycznego, uruchamiając mechanizm wykonawczy 2. Uruchomienie mechanizmu wykonawczego 2 następuje przede wszystkim wtedy, gdy wzrasta natężenie przepływu paliwa, jeżeli NP+K.dNP/dt jest niższe od niskiego progu lub wtedy, gdy obniża się natężenie przepływu paliwa jeżeli NP+K.dNP/dt jest wyższe od wysokiego progu. W przypadku braku sygnału wysyłanego przez komparator 15, to znaczy wtedy, kiedy sygnał NP+K.dNP/dt znajduje się między progami wysokim i niskim, mechanizm wykonawczy 2 nie reaguje i natężenie przepływu paliwa pozostaje bez zmian.

W taki oto sposób działa urządzenie według wynalazku, celem utrzymywania wartości sygnału NP między wcześniej wyznaczonym niskim progiem i wysokim progiem, co umożliwia utrzymywanie prędkości obrotowej wirnika śmigłowca między dwoma progami, które są również wcześniej wyznaczone.

Zgodnie z działaniem różniczkowym „K.dNP/dt” można wcześniej uruchomić sterowanie mechanizmem wykonawczym 2, jak tylko zaistnieje potrzeba związana z różnicowaniem zapotrzebowania mocy wywołana zmiennością prędkości obrotowej wirnika śmigłowca, a więc sygnału NP.

Elektryczny mechanizm wykonawczy 2 przestawia się korzystnie podczas osiągniętej, względnie niewielkiej prędkości. Ponadto, zawiera on korzystnie ogranicznik położenia minimum. W taki sposób otrzymuje się, jak wykazano powyżej, ograniczenie szybkości zmian natężenia przepływu paliwa oraz granicę natężenia przepływu paliwa o niskiej wartości, umożliwiając tym samym przyspieszenie pracy silnika turbinowego bez ryzyka pompowania i opóźnienie tej pracy bez ryzyka zgaśnięcia silnika.

Elektryczny mechanizm wykonawczy 2 może być silnikiem prądu stałego lub silnikiem skokowym, zapewniającym stosunkowo niewysoką prędkość przemieszczania.

Elektryczne urządzenie 18 zasilania elektrycznego mechanizmu wykonawczego 2 może, albo sterować prędkością przemieszczania stałej wielkości albo sterować prędkością przemieszczania zależną od sygnału NP i kierunku przemieszczania.

Zespół elektronicznego urządzenia sterującego 1 może mieć różnorodne wykonanie. To znaczy, że można stosować wzmacniacze operacyjne umożliwiające otrzymanie elektronicznego urządzenia analogowego. Jest również możliwe stosowanie programowalnych komponentów cyfrowych w rodzaju EPLD, komponentów specjalnie opracowanych typu ASIC lub nawet stosować mikroprocesor sterowany przez oprogramowanie umożliwiające otrzymanie funkcji, które zostały opisane.

Elektroniczne urządzenie sterujące 1 może być zintegrowane w specjalnej obudowie odpowiedzialnej za działanie bezpieczeństwa regulacji lub, w przeciwieństwie do tego, może być zintegrowane w obudowie odpowiedzialnej za inne funkcje śmigłowca.

PL 198 210 B1

Urządzenie do regulowania według wynalazku umożliwia dostarczenie, przy niskich kosztach wytwarzania, sposobu bezpiecznego działania w przypadku awarii głównego układu regulacyjnego, którego użycie przez pilota jest o wiele łatwiejsze i bardziej pewne, niż użycie urządzenia bezpieczeństwa sterowanego wyłącznie manualnie.

W przypadku awarii głównego układu regulacyjnego, urządzenie według wynalazku automatycznie steruje wzrostem lub obniżeniem natężenia przepływu paliwa doprowadzanego do zespołu napędowego wirnika, w stosunku do natężenia przepływu istniejącego w chwili awarii, jedynie w zależności od prędkości obrotowej wirnika śmigłowca. Trudność pilotażu, z tym związana jest dużo mniejsza niż trudność wynikająca ze stosowania ręcznego urządzenia bezpieczeństwa typu klasycznego. W efekcie, dzięki urządzeniu do regulowania według wynalazku, pilot musi jedynie wykonać pilotaż miękki i mieć na względzie granice funkcjonowania związane z jednej strony z silnikiem, a z drugiej strony z lotem śmigłowca. Natężenie przepływu paliwa jest kontrolowane automatycznie przez urządzenie do regulowania według wynalazku.

Tego rodzaju ułatwienie jest szczególnie ważne w śmigłowcu jednosilnikowym, w którym podczas wykonywania manewrów jest potrzebne sterowanie ręczne natężeniem przepływu paliwa.

Urządzenie według wynalazku podnosi więc bezpieczeństwo, ponieważ jest potrzebna mniejsza zręczność ze strony pilota. Z drugiej strony, dzięki urządzeniu według wynalazku, nie jest już potrzebne specjalne szkolenie pilota w bezpiecznym pilotowaniu, co stanowi ważny czynnik ekonomiczny dla operatora.

Urządzenie według wynalazku może pozwolić na obniżenie przeszkód związanych z niezawodnością działania i gotowością do działania głównego układu regulacyjnego. W rezultacie, fakt dysponowania bezpiecznym i niezawodnym oraz łatwym sposobem pilotowania, pozwala na zaakceptowanie wzrostu wskaźnika współczynnika awarii akceptowanych przez główny układ regulacyjny.

Urządzenie według wynalazku jest przede wszystkim dostosowane do silników turbinowych osadzonych w śmigłowcach jednosilnikowych z uwagi na uzyskane korzyści wynikające z oszczędności materiałów i nieskomplikowanych działań podejmowanych przez pilota w odniesieniu do urządzenia bezpieczeństwa sterowanego wyłącznie ręcznie. Ponadto, urządzenie według wynalazku umożliwia w tym przypadku obniżenie kosztów produkcji, przy czym urządzenia bezpieczeństwa, które są sterowane ręczne, wymagają korzystania z urządzenia sterującego z obrotowym uchwytem, o złożonym wytwarzaniu, a zatem drogiego.

Urządzenie według wynalazku może być również stosowane w śmigłowcach dwusilnikowych. W takim przypadku, może zaistnieć potrzeba, celem uniknięcia znaczących nierównomierności obciążenia między dwoma silnikami, przewidzenia konieczności automatycznego dostosowania regulacji silnika pozostającego w normalnym trybie działania, podczas gdy drugi silnik przechodzi na tryb działania funkcji bezpieczeństwa.

Realizacja urządzenia według wynalazku jest szczególnie łatwa z tego powodu, że tylko jeden parametr jest wykorzystany na wejściu, mianowicie prędkość obrotowa wirnika, a potrzebna funkcja naliczania jest łatwa (porównanie sumy sygnału prędkości oraz jej pochodnej na dwóch progach wcześniej wyznaczonych), oraz jeden elektryczny blok wykonawczy jest wykorzystywany do sterowania przede wszystkim wzrostem natężenia przepływu paliwa, zmniejszania natężenia przepływu lub pozostawiania natężenia przepływu paliwa bez zmian.

Claims (11)

1. Urządzenie do regulowania mocyzespołunapędowego wirnikaśmigłowcaw przypadkuawarii głównego układu regulacyjnego, zawierające element dozujący natężenie przepływu paliwa, elektroniczne urządzenie sterujące (1) zawierające element (8) przyjmujący sygnał wejściowy odpowiadający prędkości obrotowej wirnika (NP), element do obróbki tego sygnału wejściowego zawierający element różnicujący (11) i element sumujący, znamienne tym, że element sumujący (13) jest osadzony w taki sposób, że nalicza on sumę sygnału prędkości obrotowej (NP) oraz jej pochodną (K.d/NP/dt), a sygnał wyjściowy elementu sumującego (13) otrzymywany jest przez komparator progowy (15), po czym sygnał wyjściowy wysyłany jest w kierunku urządzenia wykonawczego (2) zdolnego do progresywnego uruchamiania elementu (3) dozującego natężenie przepływu paliwa w sposób zwiększający lub zmniejszający natężenie przepływu.

PL 198 210 B1

2. Urządzenie według 1, znamienne tym, że urządzeniem uruchamiającym jest urządzenie elektryczne, a elektroniczne urządzenie sterujące zawiera, między innymi, element (18) do zasilania elektrycznego urządzenia uruchamiającego.

3. według, zas^z. 1 albo 2, znamienne tym. że sygnaa wejściowy fiitirowany jesS przez filtr dolnoprzepustowy (9).

4. Urządzenie według 3, znamienne tym, że komparator (15) zawieea wysoki próg (15a) i niski próg (15b).

5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że urządzenie uruchamiające działa ze względnie niską prędkością i ma ogranicznik w położeniu minimum.

6. według z^^si'^^. 5, znamienne tym. że urządzeniem uruchamiającym jess siinik prądu stałego, którego prędkość obrotowa jest stała dla wyznaczonego napięcia zasilającego.

7. Urządzenie według zastrz. 5, tym. że urządzeniem uruchamiającym jest siinik skokowy.

8. Urządzenie według któregokoLwiek z poprzednich zastrzeżeń, znam ienne tym. że e!ement dozujący natężenie przepływu paliwa zawiera pomocniczy dozownik (3) paliwa, działający równolegle z głównym dozownikiem (7) paliwa.

9. Urządzenie do regulowania według któregokolwiek z poprzednich zastrzeżeń, znamiennn tyi, że zespołem napędowym jest silnik turbinowy.

10. Sposób regulowania mocy zespołu napędowego wirnika śmigłowca w przypadku awarii głównego układu regulacyjnego, znaiienny tyi, że steruje się automatycznie wzrostem lub obniżeniem natężenia przepływu paliwa dostarczanego do zespołu napędowego, w odniesieniu do przepływu w chwili awarii, w zależności od prędkości obrotowej wirnika (NP).

11. Śmigłowiec zawierający zespół napędowy s\^(^j^(^o wirnika oi^^^ główny u^ad regulacyjny, zasilający zespół napędowy za pośrednictwem elementu dozującego natężenie przepływu paliwa, znaiienny tyi, że jest on wyposażony w urządzenie zabezpieczające w przypadku awarii głównego układu regulacyjnego według zastrzeżeń 1 do 9, i że zawiera elektroniczne urządzenie sterujące (1), które ma element (8) przyjmujący sygnał wejściowy odpowiadający prędkości obrotowej wirnika (NP), element do przetwarzania tego sygnału wejściowego, który zawiera element różnicujący (11) i element sumujący (13), osadzony tak, aby naliczać sumę sygnału prędkości obrotowej (NP) oraz jej pochodną (K.dNP/DT), a komparator progowy otrzymuje wyjściowy sygnał tego elementu sumującego i wysyła sygnał wyjściowy w kierunku urządzenia uruchamiającego (2), zdolnego do uruchamiania elementu (3) dozującego natężenie przepływu paliwa w sposób zwiększający, zmniejszający lub nie zmieniający natężenia przepływu.