Библиографическое описание:

Ахмедзянов Д. А., Михайлова А. Б., Кишалов А. Е. Моделирование статических и динамических характеристик двухвальной энергетической установки // Молодой ученый. — 2010. — №4. — С. 56-59.

  Модель всегда является приближенной и рассчитанные по ней параметры отличаются от действительных, что является причиной затрат времени и других ресурсов на ее доводку. Поэтому проблема повышения степени адекватности математических моделей является одной из важнейших при проектировании, в т.ч. при оптимизации (структурной и параметрической).

Известны различные пути повышения степени адекватности моделей. Один из них заключается в более тщательном исследовании и более детализированном математическом описании всех особенностей рабочего процесса в изделии. Он используется при уточнении существующих методик расчета. Другой путь повышения степени адекватности – идентификация математической модели по результатам испытаний. При идентификации варьируются различные параметры математической модели, и уточнение ее получается только за счет изменения их величины без увеличения сложности модели [1].

  Цель идентификации – уменьшение расхождений между результатами испытаний изделия и расчета по модели без изменения ее структуры (предложенные в данной работе методы позволяют производить и структурную идентификацию модели), а только за счет уточнения значений ряда параметров. Они называются варьируемыми параметрами или факторами и выбираются из числа наименее достоверных параметров математической модели. Испытания изделия проводятся на различных режимах с измерением возможно большего количества параметров. На этих же режимах производится расчет по модели. Разница между экспериментальным и расчетным значениями параметра называется невязкой. Она должна быть минимальной во всех измерениях (в многомерном варианте используется функционал невязок, например в виде свертки). Поэтому с помощью численных методов минимизируется функционал невязок. Например, при использовании МНК (метода наименьших квадратов) минимизируется сумма квадратов взвешенных невязок с помощью изменения поправок к варьируемым параметрам. Поправки обычно не получаются малыми и приходится делать несколько последовательных приближений.

Предложенные в данной работе методы позволяют производить не только параметрическую, но и структурную идентификацию моделей. При разработке математической модели двигателя использовались экспериментальные данные, позволившие идентифицировать характеристики его узлов.

           Статическая характеристика установки позволяет получить характеристики узлов двигателя в широком диапазоне режимов, необходимом для  исследования динамических характеристик. Экспериментальная динамическая характеристика представляет собой зависимость расхода топлива, давления воздуха за компрессором,  ускорения ротора от частоты вращения ротора.

           В настоящее время признано, что имитационные модели (ИМ) являются эффективным средством исследования и решения сложных проектно-доводочных задач, проведения разнообразных компьютерных экспериментов, организованных по аналогии со стендовыми испытаниями.  Обычно ИМ создают и используют в среде моделирования, имеющей пре- и постпроцессор, решатель и библиотеку структурных элементов.

При моделировании газотурбинных двигателей и установок одним из  важных вопросов является выбор достаточно точного и эффективного способа   представления характеристик узлов двигателя: вентиляторов и компрессоров, камер сгорания, турбин и др. Несмотря на то,  что этой   проблеме посвящено значительное число работ, она является актуальной и сейчас, поскольку  к новым универсальным методам построения математических моделей предъявляются высокие, зачастую противоречивые требования к форме представления характеристик узлов.

Достоверность получаемых с помощью ИМ результатов зависит от того, насколько адекватна модель моделируемому реальному объекту (в данном случае энергоустановке) и моделируемому процессу. Оценку степени (или области) адекватности проводят по-разному, но наиболее представительной  является оценка на основе сопоставления результатов моделирования с результатами эксперимента.

  На примере моделирования резкого (ступенчатого) изменения нагрузки на электрогенераторе газотурбинной энергетической установки ГТЭ-10/95 (рис. 1.) при условии автономной работы (в локальной сети – наиболее сложный для регулирования случай) произведена отработка соответствующих методов и средств моделирования. С помощью разработанной системы имитационного моделирования (СИМ) [2, 3] подобран закон управления, в соответствии с которым регулятор вырабатывает управляющее воздействие, учитывающий реальные возможности топливной системы установки в условиях экстремального регулирования.

   Газотурбинная энергетическая установка ГТЭ10/95  предназначена для электро- и теплоснабжения жилых массивов, предприятий промышленности, объектов строительства, в отдаленных от энергосистем районах, а также в качестве дополнительного источника на крупных ТЭЦ для покрытия пиковых нагрузок.  ГТЭ 10/95 номинальной электрической мощностью 10 МВт, создана в ФГУП «НПП Мотор» (г. Уфа).

Рис. 1. Энергоустановка ГТЭ-10/95

Рис. 2. Схема энергоустановки ГТЭ-10/95 в СИМ,

где 1- внешние условия; 2-входное устройство;  3-КНД; 4 – КВД;  5- отбор газа; 6 – камера сгорания;                    7 – ТВД;  8 -  ТНД;  9 – свободная турбина; 10 – генератор;   11 – насос;  12- котел-утилизатор;                                       13 – общие результаты

Получение заданной мощности установки N=10 МВт необходимо при условиях минимума расхода топлива (максимум КПД установки) и минимума температуры газа перед турбиной (максимальный  ресурс двигателя).

 Результаты  расчетов показаны на рис. 3 - 5.

Сравнение полученных статических характеристик с экспериментальными данными подтверждает достаточную (с учетом предъявленных требований) степень адекватности модели. Проводится моделирование динамических характеристик установки при резком изменении нагрузки на электрогенераторе. Используется модель с регулятором для поддержания частоты вращения свободной турбины. Котел-утилизатор при моделировании динамики  в схему не включен. Моделирование в СИМ позволило определить закон подачи топлива в камеру сгорания для поддержания постоянной частоты вращения свободной турбины, а значит и электрогенератора.

                                                 a)                                                                 б)

Рис. 3. Изменения мощности свободной турбины по времени

а) пропорциональный закон;  б) пропорционально-дифференциальный

 

                                              a)                                                                              б)          

Рис. 4. Изменение частоты вращения КВД по времени 

а) пропорциональный закон;  б) пропорционально-дифференциальный

Рис. 6. Изменение запасов устойчивости компрессоров по времени

Таким образом, варьируя параметрами регуляторов (постоянными времени, коэффициентами демпфирования) удалось оптимизировать законы управления и получить необходимое качество переходных процессов (время регулирования, перерегулирование,  колебательность и т.п.).

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта МД-277.2010.8

Список литературы

1. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник / Под общей ред. В.А. Сосунова, В.М. Чепкина.    М.: МАИ, 2003. - 688 с.

2. Кривошеев, И.А. Методы и средства системной разработки сложных объектов на основе имитационного сетевого моделирования и технологии  МетаСАПР /И.А. Кривошеев, Д.А. Ахмедзянов и др. Приложение к журналу “Информационные технологии”. – Москва, 2005. – №4. – 32 с.  

3. Ахмедзянов, Д.А.Термогазодинамический анализ рабочих процессов ГТД в компьютерной среде DVIGw / Д.А. Ахмедзянов, И.А. Кривошеев  и др.  Уфа: Изд. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та, 2003. – 162 с.

4. Родионов, А. В. Анализ термодинамических параметров зарубежных малоразмерных газотурбинных установок [Текст] / А. В. Родионов, И. А. Кривошеев // Молодой ученый. – 2009. – №9. – С. 21-24.

Основные термины: повышения степени адекватности, динамических характеристик, математической модели, представления характеристик узлов, частоты вращения, частоты вращения свободной, вращения свободной турбины, степени адекватности моделей, степени адекватности математических, энергетической установки, функционал невязок, динамических характеристик газотурбинных, параметров математической модели, структурную идентификацию, динамических характеристик установки, динамических характеристик двухвальной, степень адекватности модели, структурную идентификацию модели, газотурбинных двигателей, характеристик узлов двигателя

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle