Авторы: Михайлов А.Е., Ахмедзянов Дмитрий Альбертович

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №3 (26) март 2011 г.

Статья просмотрена: 360 раз

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.
Основные термины (генерируются автоматически): динамической характеристики, динамической характеристике, динамической характеристике ТРД, динамической характеристики одновального, имитационного моделирования, одновального ТРД, вращения ротора, частоте вращения ротора, характеристики одновального ТРД, адиабатического КПД компрессора, динамическая характеристика, средств имитационного моделирования, газотурбинных двигателей, характеристика компрессора, СИМ DVIGwp, авиационных ГТД, полезного действия компрессора, динамической характеристике одновального, Расчетная динамическая характеристика, динамической характеристикой ТРД.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос