Моделирование статических и динамических характеристик двухвальной энергетической установки | Статья в журнале «Молодой ученый»

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. — URL https://moluch.ru/archive/15/1405/ (дата обращения: 23.07.2018).

  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 (генерируются автоматически): свободная турбина, математическая модель, СИМ, камера сгорания, модель, параметр, Газотурбинная энергетическая установка, Уфа, работа методы, функционал невязок.


Похожие статьи

Разработка математической модели газотурбинной...

сетевая вода, газотурбинный привод, камера сгорания, выхлопное устройство, математическая модель, принципиальная схема, силовая турбина, тепловая энергия, электрическая мощность, структурная схема модели. None.

Оптимальные параметры регулирования режимов работы...

Надежная и эффективная работа газотурбинной установки (ГТУ) может

турбина, параметр, мощность, регулирование, установка, воздух, компрессор, температура, камера

Особенности проектирования малоразмерных энергетических газотурбинных установок с применением...

Анализ газодинамических параметров камер сгорания...

Рис. 1. Топологические модели двигателей в СИМ DVIGw.

Это связано с тем, что за ФК нет таких теплонапряжённых высоконагруженных узлов как турбина.

Оптимизация геометрических параметров камеры сгорания в поршне дизеля.

Моделирование изменения нагрузки на электрогенераторе...

Рисунок 1 – Топологическая схема модели МЭГТУ совместно с регулятором в СИМ DVIGwp. Система имитационного моделирования газотурбинных двигателей и газотурбинных энергетических установок DVIGwp позволяет проводить анализ рабочего процесса на...

Формирование подходов к моделированию авиационных...

...поэлементной математической модели ГТД и САУКиД осуществляется за счет минимизации невязок между параметрами, рассчитываемыми в модели ГТД и

Анализ методов защиты авиационных газотурбинных двигателей от вредных факторов среды эксплуатации.

Особенности проектирования малоразмерных энергетических...

Особенности проектирования малоразмерных энергетических газотурбинных установок с применением методов и средств имитационного моделирования.

Рисунок 2 – Модель МЭГТУ в СИМ DVIGwp.

математической модели МЭГТУ.

Методы и средства структурного и параметрического синтеза...

Разработанный универсальный метод моделирования работы различных ГТД и ГТЭУ и их систем управления включает: 1. Библиотеку моделей структурных элементов (СЭ) (входное устройство, компрессор, камера сгорания, турбина, сопло, выхлопной патрубок, смеситель...

Получение индивидуальной модели авиационного двигателя

Идентификация математических моделей ГТД по результатам испытаний двигателя

Используемый в данной работе метод идентификации близок к методу наименьших

Исходя из данного метода, необходимо выбрать варьируемые параметры, сформировать невязки...

Направления совершенствования и требования к современной...

Универсальность математической модели достигается следующими методами.

модель камеры смешения – цилиндрическая, с полным смешением потоков на срезе смесителя

Разработка математической модели газотурбинной энергоустановки.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Разработка математической модели газотурбинной...

сетевая вода, газотурбинный привод, камера сгорания, выхлопное устройство, математическая модель, принципиальная схема, силовая турбина, тепловая энергия, электрическая мощность, структурная схема модели. None.

Оптимальные параметры регулирования режимов работы...

Надежная и эффективная работа газотурбинной установки (ГТУ) может

турбина, параметр, мощность, регулирование, установка, воздух, компрессор, температура, камера

Особенности проектирования малоразмерных энергетических газотурбинных установок с применением...

Анализ газодинамических параметров камер сгорания...

Рис. 1. Топологические модели двигателей в СИМ DVIGw.

Это связано с тем, что за ФК нет таких теплонапряжённых высоконагруженных узлов как турбина.

Оптимизация геометрических параметров камеры сгорания в поршне дизеля.

Моделирование изменения нагрузки на электрогенераторе...

Рисунок 1 – Топологическая схема модели МЭГТУ совместно с регулятором в СИМ DVIGwp. Система имитационного моделирования газотурбинных двигателей и газотурбинных энергетических установок DVIGwp позволяет проводить анализ рабочего процесса на...

Формирование подходов к моделированию авиационных...

...поэлементной математической модели ГТД и САУКиД осуществляется за счет минимизации невязок между параметрами, рассчитываемыми в модели ГТД и

Анализ методов защиты авиационных газотурбинных двигателей от вредных факторов среды эксплуатации.

Особенности проектирования малоразмерных энергетических...

Особенности проектирования малоразмерных энергетических газотурбинных установок с применением методов и средств имитационного моделирования.

Рисунок 2 – Модель МЭГТУ в СИМ DVIGwp.

математической модели МЭГТУ.

Методы и средства структурного и параметрического синтеза...

Разработанный универсальный метод моделирования работы различных ГТД и ГТЭУ и их систем управления включает: 1. Библиотеку моделей структурных элементов (СЭ) (входное устройство, компрессор, камера сгорания, турбина, сопло, выхлопной патрубок, смеситель...

Получение индивидуальной модели авиационного двигателя

Идентификация математических моделей ГТД по результатам испытаний двигателя

Используемый в данной работе метод идентификации близок к методу наименьших

Исходя из данного метода, необходимо выбрать варьируемые параметры, сформировать невязки...

Направления совершенствования и требования к современной...

Универсальность математической модели достигается следующими методами.

модель камеры смешения – цилиндрическая, с полным смешением потоков на срезе смесителя

Разработка математической модели газотурбинной энергоустановки.

Задать вопрос