Экспериментальное исследование статических и динамических характеристик газотурбинных двигателей на автоматизированных лабораторных установках SR-30 и TJ-100 при различных алгоритмах управления двигателем | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Ахмедзянов Д. А., Кишалов А. Е., Маркина К. В., Бакирова З. Н. Экспериментальное исследование статических и динамических характеристик газотурбинных двигателей на автоматизированных лабораторных установках SR-30 и TJ-100 при различных алгоритмах управления двигателем // Молодой ученый. — 2013. — №3. — С. 26-34. — URL https://moluch.ru/archive/50/6330/ (дата обращения: 21.10.2018).

Современный авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) — это технический объект со сложной организацией рабочего процесса, с чрезвычайно высоким уровнем рабочих параметров потока, разветвлённой системой автоматического управления контроля и диагностики [1].

В настоящее время для ускорения и удешевления процесса проектирования новейшей перспективной техники широко применяются технологии компьютерного моделирования. На стадии выбора конструктивной схемы и основных параметров цикла ГТД применяются различные системы имитационного моделирования (СИМ) в термогазодинамическом аспекте. Одной из таких систем является СИМ DVIG_OTLADKA [2], позволяющая моделировать установившиеся и переходные процессы, происходящие в авиационных ГТД и энергетических установках на их базе с учётом действия системы автоматического управления, контроля и диагностики (САУ) [3–5]. Для успешного применения данного программного комплекса — разработанных методов и средств имитационного моделирования, при проектировании новой перспективной авиационной техники, необходима экспериментальная проверка её работоспособности. Целью данной статьи является моделирование и экспериментальное исследование различных установившихся и переходных режимов на автоматизированных лабораторных установках SR-30 и TJ-100.


Моделирование динамических процессов, протекающих в SR-30

В работах [3, 5] подробно описаны общие подходы к моделированию авиационных ГТД совместно с их автоматикой в СИМ DVIG_OTLADKA. Двигатель SR-30 — это одновальный ГТД, состоящий из входного устройства, центробежного компрессора, противоточной кольцевой камеры сгорания, осевой одноступенчатой турбины и реактивного сопла [5] (рис. 1).

САУ SR-30 работает следующим образом: в зависимости от угла установки РУД поддерживается частота вращения ротора с коррекцией по температуре на входе в двигатель (т. е. реализуются следующие законы управления и ); ограничиваются предельные значения частоты вращения ротора и температуры газов перед турбиной [8].


Рис. 1. Модель SR-30 и схема установки датчиков


Топологическая модель двигателя SR-30 и его САУ в СИМ DVIG_OTLADKA представлена на рис. 2. При помощи структурного элемента (СЭ) «РУД» моделируется управление двигателем (); при помощи СЭ «Насос-регулятор» выполняется поддержание заданной частоты вращения ротора изменением расхода топлива в камере сгорания (); при помощи СЭ «Ограничитель предельных параметров (механический)» ограничивается максимальная частота вращения ротора ; при помощи СЭ «Ограничитель предельных параметров (газодинамический)» ограничивается максимальная температура в камере сгорания . СЭ «Подача топлива», «Смеситель» и «Разветвитель информационных потоков» — технологические элементы необходимые для переключения на другие программы регулирования.

Для моделирования двигателя с его САУ необходим закон расчёта, приведённый в табл. 1.


Рис. 2. Топологическая модель ГТД SR-30 и его САУ в СИМ DVIG_OTLADKA: 1 — начальные условия; 2 — входное устройство; 3 — компрессор; 4 — отбор газа; 5 — отбор мощности; 6 — камера сгорания; 7 — турбина; 8 — реактивное сопло; 9 — общие результаты; 10 — датчик; 11 — РУД; 12 — насос-регулятор; 13 — ограничитель предельных параметров (механический); 14 — ограничитель предельных параметров (газодинамический); 15 — подача топлива; 16 — смеситель информационных потоков; 17 — разветвитель информационных потоков.


Таблица 1

Закон расчёта

Варьируемые параметры

Поддерживаемые параметры

Табулируемые параметры

(Камера сгорания)

(Камера сгорания) =

(Подача топлива)

= 0…10 с

шаг 0,05 с

(Начальные условия)

(Компрессор)

(Турбина)

(Входное устройство)

(Реактивное сопло)

(РУД)

(РУД) =


Управляющее воздействие на двигатель задаётся при помощи задания в законе расчёта (табл. 1) изменения угла установки РУД во времени (рис. 3). Автоматика двигателя преобразует управляющее воздействие с учётом действия гидрозамедлителя — ограничивается темп изменения угла установки РУД (т. е. САУ двигателя значения приходят с некоторым запаздыванием).

В данном случае смоделирован процесс встречной приёмистости: в начальный момент времени двигатель работал на 100 % частоты вращения ротора (), на 1-й секунде угол установки РУД уменьшился до за 0,1 с. На 5-й секунде угол установки РУД увеличился с до за 0,1 с.

Рис. 3. Управляющее воздействие на двигатель () и управляющее воздействие на двигатель с учётом действия гидрозамедлителя


На рис. 4 приведены линия рабочих режимов (дроссельная) и переходный процесс «Встречная приёмистость» на характеристике компрессора.


Рис. 4. Результаты моделирования: линия рабочих режимов (дроссельная) и переходный процесс на характеристике компрессора


Динамические характеристики двигателя определяются моментом инерции ротора. Для моделируемого двигателя момент инерции ротора принят равным 0,00045 кг·м2.

Как описано в [4], динамические характеристики различных элементов автоматики унифицировано задаются в виде коэффициентов нелинейного дифференциального уравнения второго порядка (1):

, (1)

где – коэффициент усиления; – колебательная постоянная времени, с; — дифференцирующая постоянная времени, с; — значение функции (для СЭ «Насос-регулятор» — значение расхода топлива); — значение регулируемого параметра (для СЭ «Насос-регулятор» — приведённая или физическая частота вращения ротора); и соответственно вторая и первая производная значения регулируемого параметра по времени.

В зависимости от дифференцирующей и колебательной постоянной времени элементов САУ переходный процесс в двигателе будет протекать по разному. В данной статье рассматривается влияние различных настроек СЭ «Насос-регулятор» на переходный процесс. При этом динамические свойства остальных элементов автоматики не учитываются (СЭ «Ограничитель предельных параметров (механический)», СЭ «Ограничитель предельных параметров (газодинамический)», СЭ «Подача топлива» идеальны, т. е. не имеют колебательной и инерционной составляющих). При увеличении дифференцирующей постоянной времени увеличивается инерционность СЭ «Насос-регулятор» (элемент, регулирующий подачу топлива в камеру сгорания и, в конечном итоге, регулирующий частоту вращения ротора в зависимости от угла установки РУД), т. е. расход топлива в камеру сгорания будет подаваться с запаздыванием относительно программы регулирования. При уменьшении колебательной постоянной времени увеличиваются колебательные свойства СЭ «Насос-регулятор», т. е. при изменении значения расхода топлива происходят его колебания (рис. 5).

Рис. 5. Расход топлива в переходном процессе с настройками СЭ «Насос-регулятор» TД = 0,15 с, TК = 0,25 с


На рис. 6 приведены результаты моделирования переходного процесса (изменение частоты вращения ротора во времени) с различными настройками СЭ «Насос-регулятор». При моделировании «идеального» насоса-регулятора ( = 0 с, = 1000 с), частота вращения ротора полностью соответствует частоте вращения «навязываемой» автоматикой (без динамических запаздываний). При увеличении дифференцирующей постоянной времени = 0,4 с, переходный процесс протекает с «запаздыванием» (по сравнению с «идеальным»), автоматика не успевает корректировать расход топлива, по частоте вращения видны «забросы». При уменьшении колебательной постоянной времени увеличивается колебания частоты вращения, частота вращения «колеблется» вокруг «идеальной» (процесс с настройками = 0,063 с, = 0,15 с).

Рис. 6. Результаты моделирования переходного процесса (изменение частоты вращения ротора во времени) с различными настройками СЭ «Насос-регулятор»


Изменяя настройки отдельных элементов САУ двигателя можно подобрать такие, при которых моделируемый переходный процесс будет полностью соответствовать переходному процессу на двигателе. Данные исследования позволяют увеличить адекватность и точность моделирования переходных процессов, происходящих в двигателе, позволяют детально исследовать каждый фактор, влияющий на переходный процесс и оценить качество переходного процесса.


Исследование статических характеристик топливной автоматики SR-30

Для имитационного моделирования какого-либо конкретного двигателя (для создания его индивидуальной модели) необходимы параметры его узлов и их характеристики. Для моделирования различных установившихся и переходных процессов, протекающих в нём, необходимы характеристики его САУ.

Данный раздел статьи посвящён экспериментальному исследованию характеристик топливной автоматики ГТД, установлению взаимосвязи между частотой вращения ротора и углом установки РУД на различных режимах работы (). Для получения характеристик двигателя был проведен эксперимент с регистрацией параметров на 4 режимах работы.

Рабочий ход рычага управления двигателем (РУД) был поделен на 4 равных промежутка, каждый из которых соответствовал определенному углу установки РУД, а, следовательно, и определенному режиму работы двигателя.

Принято, что режим «0» соответствует команде на останов двигателя; режим «1» — малый газ; режимы «2», «3» и «4» — дроссельные режимы. Режим «4» был выбран для данного эксперимента в связи с ограничениями по ресурсу двигателя на больших частотах вращения и, следовательно, с высокими температурами в камере сгорания [8].

По результатам эксперимента при помощи специального модуля SCADA-системы LabVIEW для обработки экспериментальных данных NI DIAdem [6] построен график изменения частоты вращения ротора двигателя от времени (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость частоты вращения ротора от времени, А — переходный процесс запуска двигателя, перевод РУД с режима «0» на режим «1»; Б, Г, Е, З — переходные процессы приёмистости; В, Д, Ж, И — режимы записи параметров «1», «2», «3», «4», соответственно; К — переходный процесс останова двигателя.


Необходимо учесть, что в рамках установившегося или неустановившегося режима всегда имеются отклонения параметров связанные с систематическими и случайными погрешностями системы измерения и различными неравномерностями и пульсациями (параметров потока) как на входе, так и по тракту двигателя в целом. Поэтому, экспериментально замеренные параметры двигателя обычно осредняются в течение какого-либо времени.

Осреднение параметров производилось на установившихся режимах (В, Д, Ж, И на рис. 7) при помощи нахождения отклонения от среднеквадратичного значения.

На рис. 8 и в табл. 2 приведены некоторые результаты испытания двигателя SR-30.

Рис. 8. Зависимость давления на входе в камеру сгорания (Р2), давления на входе в сопло (Р4) и давления на выходе из двигателя (Р5) от времени


В табл. 2 приведены базовые значения основных параметров двигателя на исследованных установившихся режимах, осреднённые по методике, описанной в [8].

Таблица 2

Осреднённые значения измеренных параметров

Режим работы двигателя

Частота вращения ротора, об/мин

Температура на входе в турбину, К

Температура на выходе из двигателя, К

Тяга двигателя, Н

Расход топлива, кг/с

Избыточное давление на входе в камеру сгорания, Па

Избыточное давление на входе в сопло, Па

Избыточное давление на выходе из двигателя, Па

1

40896,40

909,01

682,66

26,05

0,0017

30956,55

4862,424

2912,874

2

47107,59

913,46

696,10

29,19

0,0021

44794,38

6939,151

4017,383

3

54755,67

936,26

706,21

33,57

0,0027

66606,03

10170,12

5751,172

4

67948,12

985,55

726,12

42,91

0,0038

118916,9

16549,43

10199,09


На рис. 9 приведена характеристика топливной автоматики исследуемого турбореактивного двигателя SR-30 — зависимость частоты вращения ротора двигателя от угла установки РУД . Если провести подобные исследования при других температурах на входе в двигатель, можно существенно дополнить данную характеристику САУ, которая необходима для имитационного моделирования данного двигателя в системе имитационного моделирования DVIG_OTLADKA [9].

Рис. 9. Зависимость


Таким образом, используя данную методику проведения эксперимента, можно экспериментально исследовать характеристику насоса-регулятора и другие характеристики данного двигателя и его САУ (как на установившихся, так и на переходных процессах). В то же время, увеличивая количество режимов, можно получить линию рабочих режимов двигателя, с известными по всему тракту двигателя параметрами, что в свою очередь позволяет получить характеристики узлов двигателя, таких как компрессор, камера сгорания, турбина и т. п.


Исследование статических характеристик TJ-100

Лабораторная установка на базе турбореактивного двигателя TJ-100 предназначена для ознакомления студентов с работой двигателя на различных режимах. TJ-100 — одновальный ГТД с одноступенчатым центробежным компрессором, кольцевой камерой сгорания, одноступенчатой осевой турбиной и управляемым реактивным соплом. Общий вид стенда приведен на рис. 10.

TJ-100 имеет собственный блок управления двигателем (CPSJ), который осуществляет полный контроль над запуском и работой двигателя. Блок управления регулирует обороты двигателя в зависимости от величины управляющего напряжения. При этом он контролирует ускорение и замедление вращения ротора двигателя, температуру выхлопных газов, а также ограничивает максимальные обороты двигателя при достижении лимитной температуры выхлопных газов.


Рис. 10. Общий вид стенда.


Топологическая модель ГТД TJ-100 в СИМ DVIG_OTLADKA приведена на рис. 11.

Врезка4Врезка3Врезка1Врезка9Врезка7Врезка6Врезка2Врезка5Врезка8

Рис. 11. Топологическая модель ГТД TJ-100 в СИМ DVIG_OTLADKA: 1 — начальные условия; 2 — входное устройство; 3 — компрессор; 4 — отбор газа; 5 — камера сгорания; 6 — отбор газа 2; 7 — турбина; 8 — реактивное сопло; 9 — общие результаты


Для оценки изменения параметров двигателя на пониженных режимах работы рассчитана его дроссельная характеристика. Расчет дроссельной характеристики производится при табулировании частоты вращения ротора с соблюдением условий расчета, приведенных в табл. 3.

На рис. 12 и 13 приведены некоторые результатов расчётов.


Таблица 3

Условия расчета дроссельной характеристики

Варьируются

Поддерживаются

(Камера сгорания)

(Турбина)

(Компрессор)

(Выходное устройство)

(Входное устройство)

(Компрессор)


Врезка10Врезка11

Рис. 12. Линия рабочих режимов на характеристике компрессора


Рис. 13. Зависимость удельной тяги и удельного расхода топлива от частоты вращения ротора


Заключение

В данной статье показаны некоторые методики исследования статических и динамических характеристик различных авиационных двигателей и элементов их автоматики, необходимых для повышения точности и адекватности имитационных моделей. Применение методик имитационного моделирования при проектировании новейших перспективных авиационных двигателей позволит значительно сократить время проектирования и его стоимость.


Литература:

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

  2. Ахмедзянов, Д. А. DVIG_OTLADKA (свидетельство об официальной регистрации) / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов, И. А. Кривошеев: Свидетельство об официальной регистрации № 2009610324. — Москва: Реестр программ для ЭВМ, 2009 г.

  3. Ахмедзянов, Д. А. Имитационное моделирование работы авиационных ГТД с элементами систем управления / Д. А. Ахмедзянов, И. А. Кривошеев, А. Е. Кишалов // Вестник УГАТУ. — Уфа: УГАТУ, 2008. — № 2 (29) серия «Машиностроение». — С. 3–11.

  4. Ахмедзянов, Д. А. Комплексный подход к совместному моделированию и исследованию рабочих процессов авиационных ГТД и его автоматики / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов // Журнал “Молодой ученый”. — Чита, 2011. — Т1. № 10 (33). — С. 16–21.

  5. Ахмедзянов, Д. А. Моделирование авиационного ГТД совместно с элементами его автоматики / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов // Ежемесячный научный журнал «Молодежный Вестник УГАТУ». — Уфа, 2012. — № 2 (3). — С.54–60.

  6. Ахмедзянов, Д. А. Автоматизация процесса испытания авиационных ГТД на базе SCADA-системы LabView / А. Д. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов, Р. Р. Ямалиев, А. В. Суханов // Вестник УГАТУ. — Уфа: УГАТУ, 2009. — Т.13 № 2 (35) серия «Управление, вычислительная техника и информатика». — С.61–69.

  7. Августинович, В. Г. Идентификация систем управления авиационных газотурбинных двигателей / В. Г. Августинович, В. А. Акиндинов, Б. В. Боев и др. — М.: Машиностроение, 1984. — 196 с.

  8. Ахмедзянов, Д. А. Методика проведения эксперимента для получения характеристик топливной автоматики одновального газотурбинного двигателя с использованием SCADA-системы / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов, О. А. Баулин, А. В. Суханов // Научно-технический журнал «Нефтегазовое дело». Уфа: УГНТУ. — 2012. Т.10 № 2 — С. 121–125.

  9. Ахмедзянов, Д. А. Повышение эффективности процесса отладки форсажных режимов при испытаниях ТРДДФ / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов // Вестник УГАТУ. — Уфа, 2012. — Т.16, № 2 (47). — С.87–97.

Основные термины (генерируются автоматически): Камера сгорания, угол установки РУД, СИМ, частота вращения ротора, двигатель, имитационное моделирование, переходный процесс, Входное устройство, переходной процесс, подача топлива.


Похожие статьи

Формирование подходов к моделированию авиационных...

Рисунок 1. Имитационной модель ТРДДФсм с интегральной моделью автоматики в СИМ DVIG_OTLADKA.

В ТРДДФ широкое применение находит регулирование установившихся режимов работы двигателя по частоте вращения ротора высокого давления .

Комплексный подход к совместному моделированию...

Ограничение изменения угла установки РУД во времени задаётся во входных параметрах СЭ. Рисунок 1 – Структурная схема имитационной модели ТРДДФ с элементами автоматики в системе DVIG_OTLADKA, 1 – внешние условия; 2 – входное устройство; 3 – КНД; 4...

Моделирование переходных процессов в системе...

Моделирование переходных процессов в системе энергоустановки и выхлопной шахты.

где 1 – начальные условия; 2 – входное устройство; 3 – КНД, 4 – КВД, 5 – отбор газа 1, 6 – камера сгорания, 7

Рис. 9. Изменение частот вращения роторов во время переходного процесса.

Моделирование статических и динамических характеристик...

Моделирование в СИМ позволило определить закон подачи топлива в камеру сгорания для поддержания постоянной частоты вращения свободной турбины, а значит и электрогенератора.

Система автоматического управления малоразмерным...

Процесс обеспечения стабильности параметров работы двигателя, путем дозирования подачи топлива в основную камеру сгорания, всегда являлся непростой задачей. Особую сложность представляют режимы запуска и переходные режимы работы двигателя...

Получение и использование характеристик основных узлов...

СИМ, ANSYS, характеристика, CFX, Форсажная камера, Характеристика компрессора, камера сгорания, приведенная частота вращения, рисунок, входное устройство.

Моделирование изменения нагрузки на электрогенераторе...

камера сгорания, СИМ, автоматическое управление, неустановившийся процесс, имитационное моделирование, неустановившийся режим работы, частота вращения ротора, электрический генератор...

Особенности проектирования малоразмерных энергетических...

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

Отличительной особенностью микроГТД является высокая частота вращения ротора, которая обеспечивает...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Формирование подходов к моделированию авиационных...

Рисунок 1. Имитационной модель ТРДДФсм с интегральной моделью автоматики в СИМ DVIG_OTLADKA.

В ТРДДФ широкое применение находит регулирование установившихся режимов работы двигателя по частоте вращения ротора высокого давления .

Комплексный подход к совместному моделированию...

Ограничение изменения угла установки РУД во времени задаётся во входных параметрах СЭ. Рисунок 1 – Структурная схема имитационной модели ТРДДФ с элементами автоматики в системе DVIG_OTLADKA, 1 – внешние условия; 2 – входное устройство; 3 – КНД; 4...

Моделирование переходных процессов в системе...

Моделирование переходных процессов в системе энергоустановки и выхлопной шахты.

где 1 – начальные условия; 2 – входное устройство; 3 – КНД, 4 – КВД, 5 – отбор газа 1, 6 – камера сгорания, 7

Рис. 9. Изменение частот вращения роторов во время переходного процесса.

Моделирование статических и динамических характеристик...

Моделирование в СИМ позволило определить закон подачи топлива в камеру сгорания для поддержания постоянной частоты вращения свободной турбины, а значит и электрогенератора.

Система автоматического управления малоразмерным...

Процесс обеспечения стабильности параметров работы двигателя, путем дозирования подачи топлива в основную камеру сгорания, всегда являлся непростой задачей. Особую сложность представляют режимы запуска и переходные режимы работы двигателя...

Получение и использование характеристик основных узлов...

СИМ, ANSYS, характеристика, CFX, Форсажная камера, Характеристика компрессора, камера сгорания, приведенная частота вращения, рисунок, входное устройство.

Моделирование изменения нагрузки на электрогенераторе...

камера сгорания, СИМ, автоматическое управление, неустановившийся процесс, имитационное моделирование, неустановившийся режим работы, частота вращения ротора, электрический генератор...

Особенности проектирования малоразмерных энергетических...

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

Отличительной особенностью микроГТД является высокая частота вращения ротора, которая обеспечивает...

Задать вопрос