Библиографическое описание:

Михайлов А., Ахмедзянов Д. А. Исследование динамической характеристики одновального ТРД с применением средств имитационного моделирования // Молодой ученый. — 2011. — №3. Т.1. — С. 36-39.

Способность авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) быстро изменять режим работы – их важнейшая эксплуатационная характеристика. Она в значительной степени определяет такие качества летательного аппарата, как быстрота запуска двигателя, маневренность и безопасность в критических ситуациях, эффективность при ведении воздушного боя [1].
Учитывая роль неустановившихся режимов в жизненном цикле ГТД, их влияние на выбор параметров, законов управления, на работоспособность и техническое состояние, сложность описания и анализа процессов, происходящих в компрессоре, камере сгорания и других узлах ГТД, проблема исследования неустановившихся режимов является чрезвычайно важной и актуальной.
Настоящая работа посвящена исследованию динамической характеристики одновального турбореактивного двигателя (ТРД) с нерегулируемой геометрией в системе имитационного моделирования (СИМ) авиационных ГТД на установившихся и неустановившихся режимах работы DVIGwp (рис.1) [2].
СИМ DVIGwp базируется на универсальной поэлементной математической модели газотурбинного двигателя на неустановившихся режимах работы. Особенности разработанной в НИЛ САПР-Д СИМ представлены в [3].
Расчет динамической характеристики одновального ТРД производится в области положительных значений ускорения по частоте вращения ротора, при закрытой ленте перепуска воздуха. В рассматриваемом диапазоне изменения частот вращения ротора и ускорения по частоте вращения ротора режим течения в сопловом аппарате турбины и в реактивном сопле является критическим (обуславливает подобие режимов работы ГТД).
Зависимости всех приведенных величин (параметров) двигателя от приведенной частоты вращения ротора и приведенного расхода топлива могут быть выражены графически для каждого из параметров в виде сеток линий постоянных значений в координатах графика (абсцисса) и (ордината). Такой график называется динамической характеристикой ТРД [4].
Построение динамической характеристики одновального ТРД производится в СИМ DVIGwp за счет расчета совокупности приемистостей с законом расчета, представленным в табл. 1.

Таблица 1

Закон расчета для ветки динамической характеристики в СИМ DVIGwp

Варьируемый параметр

Поддерживаемый параметр

Приведенный расход воздуха на входе в компрессор,

Площадь критического сечения выходного устройства

Степень повышения давления воздуха в компрессоре

Относительная пропускная способность турбины

Приведенный расход топлива в камере сгорания

Ускорение по частоте вращения ротора турбокомпрессора


Рисунок 1. Создание индивидуальной модели одновального турбореактивного двигателя в СИМ DVIGwp


На рисунках 2-3 представлена динамическая характеристика одновального ТРД с нерегулируемой геометрией проточной части в виде зависимостей , ,в интервале частот вращения при критическом режиме течения в сопловом аппарате турбины и реактивном сопле.
На динамической характеристике одновального ТРД (рис. 2-3) приведена сетка ускорений по частоте вращения ротора, которая представляет собой графически выраженное уравнение , описывающее двигатель в рассматриваемой области его характеристик для всех условий полета как звено, входом которого является , а выходом.








Рисунок 2. Расчетная динамическая характеристика в виде зависимостей , .







Рисунок 3. Расчетная динамическая характеристика в виде зависимости и характеристика компрессора в виде зависимости с изолиниями На динамической характеристике представлена сетка изобар полного давления воздуха за компрессором (величина входит как сигнал по многие схемы регуляторов и необходима при расчете переходного процесса). Расчетный характер представленных результатов позволяет нанести на динамическую характеристику сетку изолиний полного адиабатического коэффициента полезного действия компрессора. На рис. 3 представлена характеристика компрессора с изолиниями полного адиабатического КПД компрессора. Сравнительный анализ кривых, представленных на рис 2-3, позволяет выявить сходственное протекание изолиний полного адиабатического КПД компрессора на динамической характеристике ТРД и на характеристике компрессора. Коэффициент полезного действия компрессора является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на избыточный момент турбины (совместно с основным регулирующим воздействием ) и изменяющимся в широких пределах. Таким образом, расчетная сетка изолиний адиабатического КПД компрессора и полного давления воздуха за компрессором на динамической характеристике ТРД может быть использована при оптимизации траекторий переходных процессов совместно с характеристикой компрессора. На динамической характеристике ТРД (рис. 2-3) представлена расчетная граница предельных избытков топлива по запасам газодинамической устойчивости компрессора. Область допустимых значений параметров двигателя в переходных процессах ограничивается линией допустимых избытков топлива при соблюдении гарантированной газодинамической устойчивости , которая определяется следующим образом: . (1) Кривая определяет требуемый запас по приведенному расходу топлива относительно границы устойчивой работы компрессора на динамической характеристике ТРД. Применение динамической характеристики позволяет решать следующие задачи управления газотурбинным двигателем [4]:
регулирование заданного установившегося режима;
регулирование протекания переходного процесса разгона;
поддержание заданного состояния основного контура ТРД на форсажных режимах;
автоматическое изменение положения органов переменной геометрии проточной части.
К применению динамической характеристики сводятся задачи исследования ГТД различных схем, не являющихся турбореактивными. В ГТД со свободной турбиной вследствие малости влияния свободной турбины на турбокомпрессор динамическая характеристика строится для турбокомпрессора так, как если бы он работал не на свободную турбину, а на реактивное сопло. Исследование неустановившихся режимов работы двухвальных ТРД сводится к построению динамической характеристики аналогичной представленной на рис. 2. Трехвальный ТРД может быть представлен как двухвальный ТРД, нагруженный вместо сопла свободной турбиной. В случае если ГТД имеет теплообменник (регенератор), то состояние последнего сказывается на двигателе так, как если бы нагретый (горячий), теплообменник был равнозначен дополнительному топливу, сжигаемому в камере сгорания, а в случае, когда теплообменник холодный, подобное дополнение отсутствует [4]. Таким образом, исследование переходных процессов газотурбинных двигателей с теплообменником возможно на математической модели ГТД без теплообменника с введением эквивалентного расхода топлива в камере сгорания (эквивалентно введению эффективной площади реактивного сопла на форсированных режимах). При регулировании процесса разгона ГТД с теплообменником эквивалентен запуску ГТД с присоединенным стартером-генератором, соответственно необходимо в регулятор вводить поправку на состояние теплообменника, либо осуществлять регулирование по параметрам за компрессором (в данном случае состояние теплообменника не оказывает влияния на программу регулирования) [4]. Представленные на рис. 2-3 динамические характеристики представляют собой наиболее полный «портрет» всех возможных переходных процессов одновального ТРД в области . Полученные расчетным образом на верифицированной математической модели динамические характеристики могут быть использованы при проектировании электронных, гидромеханических и комбинированных систем автоматического управления одновальных турбореактивных двигателей с учетом переходов с одного регулятора на другой (переход с регулятора режима на регулятор разгона и наоборот).
Литература:
Добрянский Г. В. Динамика авиационных ГТД / Г. В. Добрянский, Т. С. Мартьянова – М.: Машиностроение, 1989. – 240 с.
Ахмедзянов Д. А. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004610868. Система термогазодинамического моделирования газотурбинных двигателей на переходных режимах работы DVIGwp / Д. А. Ахмедзянов, И. А. Кривощеев, Е. С. Власова. М.: Роспатент, 2004.
Ахмедзянов Д. А. Термогазодинамический анализ рабочих процессов ГТД в компьютерной среде DVIGw / Д. А. Ахмедзянов, И. А. Кривошеев [и др.]. Уфа: УГАТУ, 2003. – 162 с.
Любомудров Ю. В. Применение теории подобия при проектировании систем управления газотурбинных двигателей. – М.: Машиностроение, 1971. – 198 с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle