Исследование динамической характеристики одновального ТРД с применением средств имитационного моделирования

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

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

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.

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.

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.

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).

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.