Формирование подходов к моделированию авиационных газотурбинных двигателей совместно с элементами систем автоматического управления, контроля и диагностики

Создание авиационных двигателей нового поколения требует совершенствования не только конструкции, применения новых материалов и новых технологий изготовления, но и совершенствования систем автоматического управления, контроля и диагностики (САУКиД). Новые методы управления направлены на активное управление узлами двигателя для улучшения их характеристик на основных режимах эксплуатации, компенсации изменения состояния конструкции, износа.

В настоящее время повышение вычислительной мощности и применение современных информационных технологий позволяет использовать при разработке САУКиД динамические поузловые математические модели двигателей. Эти модели позволяют рассчитывать характеристики двигателя на установившихся и неустановившихся режимах работы от запуска до режима максимальной тяги во всей области полетов.

Для разработки САУКиД новых поколений, автоматизации процессов испытаний и отладки ГТД различных схем в серийном производстве в настоящее время актуальной задачей является разработка системы имитационного моделирования авиационных газотурбинных двигателей и энергоустановок совместно с элементами систем автоматического управления, контроля и диагностики. Авторами разработана технология моделирования газотурбинных двигателей совместно с интегральной моделью автоматики двигателя (рис. 1), реализованная в системе имитационного моделирования (СИМ) DVIG_OTLADKA [1].

1 – внешние условия; 2 – входное устройство; 3 – КНД; 4 – отбор газа; 5 – КВД; 6 – отбор газа 2; 7 – камера сгорания; 8 – ВВТ; 9 – отбор мощности;

10 – отбор мощности 2; 11 – отбор газа 2; 12 – ТВД; 13 – ТНД; 14 – смеситель;

15 – ФКС; 16 – реактивное сопло; 17 – «Регулятор»; 18 – общие результаты

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

Реализованный подход позволяет моделировать рабочий процесс ГТД на установившихся и неустановившихся режимах работы совместно с элементами систем автоматического управления. Ключевым этапом разработки поэлементной математической модели САУКиД для реализации в системе имитационного моделирования совместно с математической моделью ГТД является оптимальная декомпозиция САУКиД на структурные элементы и информационные взаимосвязи.

Согласно [2, 3] основными параметрами, определяющими эффективность цикла ГТД как тепловой машины при неизменных внешних условиях являются степень повышения полного давления в компрессоре и степень подогрева рабочего тела , , которые для двигателя с форсажной камерой характеризуются параметрами: , и . На практике управление двигателем производится по параметрам, косвенно характеризующим , и , что связано в частности со сложностью измерения последних. К числу таких косвенных параметров относятся частота вращения роторов , температура газа за турбиной , и температура лопаток турбины , комплекс параметров , и ряд других.

Число регулирующих факторов ГТД зависит от его схемы и механизации проточной части, особенностей применения силовой установки летательного аппарата. В качестве примера можно рассмотреть основные регулирующие факторы современного ТРДДФ: расход топлива в основной и форсажной камерах сгорания, площадь критического сечения реактивного сопла , площадь выходного сечения реактивного сопла . Для оптимизации характеристик отдельных узлов двигателя на различных режимах его работы в широком диапазоне высот и скоростей полета и их оптимального согласования дополнительно к основным регулирующим факторам вводятся следующие регулирующие факторы: поворотные направляющие лопатки вентилятора , и компрессора , перепуск воздуха из-за первых ступеней компрессора в наружный контур, обеспечивающие необходимые запасы газодинамической устойчивости компрессора и вентилятора. Регулирование радиальных зазоров в последних ступенях компрессора и в турбине высокого давления обеспечивает получение максимального значения КПД газогенератора, регулирование радиальных зазоров в турбине вентилятора совместно с поворотными лопатками соплового аппарата обеспечивает получение максимального КПД турбовентиляторного каскада. Включение и отключение различных систем двигателя – противообледенительной, противопомпажной, регулируемой системы охлаждения турбины, регулируемые отборы мощности от ротора двигателя и воздуха за различными ступенями и каскадами компрессора.

Существенной особенностью ГТД как объекта регулирования является то, что число его регулируемых параметров значительно превышает число регулирующих факторов. Комплексное воздействие на указанные факторы обеспечивает высокие удельные параметры двигателя в широком диапазоне условий его эксплуатации. Можно отметить, что число регулируемых элементов в современных и перспективных двигателях может достигать 15 и более.

На рис. 2 представлены: I- турбовентиляторный каскад, II – каскад высокого давления, III – канал наружного контура; IV – основная камера сгорания, V – камера смешения, VI – форсажная камера сгорания, VII – регулируемое сопло.

1 – поворотные НА вентилятора; 2 – перепуск воздуха из-за вентилятора в наружный контур; 3 – поворотные НА компрессора; 4 –регулируемые радиальные зазоры в последних ступенях компрессора; 5 –подача топлива в камеру сгорания; 6 – подача топлива в камеру сгорания наружного контура; 7, 9 – регулируемые радиальные зазоры в турбине высокого и низкого давления; 8 – поворотные лопатки соплового аппарата турбины низкого давления; 10 – площадь смешения; 11 – система реверса тяги; 12 – подача топлива в форсажную камеру; 13 – подача воздуха в эжекторный контур сопла; 14 – критическое сечение сопла; 15 – выходное сечение сопла;

Рисунок 2. Обобщенная структурная схема ТРДДФ с регулирующими факторами [5]

Основными функциями САУКиД газотурбинного двигателя являются (рис. 3): запуск двигателя на земле и в полете (4); поддержание режима малого газа в зависимости от внешних условий (3); обеспечение установившихся и дроссельных режимов; ограничение и поддержание параметров максимального (М) и форсированных режимов в зависимости от внешних условий (1, 2, 5); обеспечение всех видов приемистости и сброса газа во всем диапазоне режимов работы (4); включение форсажной камеры и режима минимальный форсаж (10, 11); обеспечение установившихся форсированных режимов от минимального до полного (10, 11); управление створками критического и выходного сечения реактивного сопла (12, 13); обеспечение необходимых запасов газодинамической устойчивости каскадов компрессора (14, 15); управление включения охлаждения турбины, противообледенительной системы и других систем; обеспечение различных ограничений для обеспечения прочности, ресурса, и устойчивости рабочего процесса (6, 7, 8, 9); контроль и диагностика газотурбинного двигателя и его основных систем во всем диапазоне режимов работы.

Рисунок 3. Схема сочетания программ регулирования ТРДДФ

Управление установившимися режимами работы и режимом малого газа производится по следующим законам регулирования: , . В ТРДДФ широкое применение находит регулирование установившихся режимов работы двигателя по частоте вращения ротора высокого давления . Регулирование ТРДДФ по одному параметру не позволяет обеспечить оптимальные характеристики ГТД в широком диапазоне условий эксплуатации. В связи с этим используются дополнительные программы регулирования установившихся режимов работы двигателя: - для обеспечения конструктивной прочности элементов ротора вентилятора; - для обеспечения конструктивной прочности элементов ротора компрессора; - для обеспечения прочности, надежности, заданного ресурса элементов турбины; - для оптимизации характеристик двигателя при понижении температуры воздуха на входе в двигатель; - для обеспечения конструктивной прочности элементов двигателя при полете на большой скорости и низкой высоте полета; - для обеспечения устойчивой работы на режиме малый газ.

Необходимость учета комплекса регулируемых и ограничиваемых параметров путем воздействия на один регулирующий фактор приводит к использованию комбинированных программ регулирования, когда прямым (по замкнутому циклу) или косвенным (по разомкнутой схеме) путем регулируются все необходимые параметры. При замкнутой схеме можно осуществлять смену программ регулирования при достижении некоторыми параметрами их предельных значений.

Управление двигателем на неустановившихся режимах работы производится с использованием статических либо астатических законов регулирования. В случае использования статических законов регулирования широкое применение находит закон вида , который учитывает влияние изменения внешних условий на дозировку топлива на неустановившихся режимах работы. Статический закон управления содержит комплекс , который характеризует коэффициент избытка воздуха в камере сгорания и температуру газов при подобии режимов течения в узлах ГТД, а также учитывает положение переходной рабочей линии относительно границы устойчивой работы компрессора. Недостатком подобного закона управления является невозможность достаточно точно учесть такие факторы как изменение коэффициента полноты сгорания топлива, отвод тепла в элементы конструкции двигатель, что влияет на эффективный избыток топлива и избыток мощности турбины при изменении условий эксплуатации.

Указанных недостатков лишен астатический закон управления, который представляется в виде: . Подобный закон управления включает в себя ускорение по частоте вращения ротора , которое учитывает все факторы, влияющие на избыток мощности турбины, такие как изменение полноты сгорания топлива, нестационарный теплообмен с элементами проточной части турбины и т.п. при изменении эксплуатационных условий. В случае применения подобного астатического закона управления менее точно учитываются запасы газодинамической устойчивости по измеряемым параметрам.

Возможна разработка системы автоматического управления с использованием обоих законов управления. Статический закон управления используется для ограничения избытков топлива для обеспечения газодинамической устойчивости компрессора. Астатический закон управления используется в качестве основного, что позволяет получить минимальное время приемистости двигателя.

Для регулирования форсированных режимов работы ГТД широкое применение находит следующий закон управления: . Подобный закон управления учитывает основные факторы, влияющие на рабочий процесс: температуру воздуха на входе двигатель; полетное число Маха ; площадь критического сечения реактивного сопла , обеспечивающую согласование узлов двигателя на различных режимах работы и независимость режима работы газогенератора от режима работы форсажной камеры; угол установки РУД , который обеспечивает совокупность установившихся форсированных режимов работы.

Управление реактивным соплом как правило производится по следующим законам регулирования: , . Регулирование площади критического и выходного сечения сопла обеспечивает согласование режимов работы системы газогенератор - форсажная камера - реактивное сопло, а также оптимальную степень понижения полного давления в сопле. Также изменение площади реактивного сопла выступает в качестве дополнительной степени свободы для определения положения рабочей точки на характеристиках узлов, оказывая заметное влияние на величину мощности турбины, в том числе избыточной мощности на неустановившихся режимах работы ГТД.

Механизация компрессора для обеспечения газодинамической устойчивости производится по законам: , . В разработанной технологии моделирования газотурбинных двигателей [5, 6] механизация компрессора учитывается с помощью использования характеристик каскадов компрессора в широком диапазоне изменения внешних условия и частот вращения ротора.

Для определения оптимальной декомпозиции САУКиД предлагается декомпозиция на структурные элементы, реализующие основные типы управляющих воздействий на двигатель. Основными структурными элементами САУКиД для моделирования совместно с поэлементной математической моделью ГТД предлагаются:

1. «Насос-регулятор», осуществляющий управление дозированием топлива в основную камеру сгорания. В данном СЭ возможна реализация различных программ управления режимами работы двигателя с учетом инерционности заполнения топливных коллекторов и магистралей.
2. «Регулятор топлива форсажный» осуществляющий управление дозированием в форсажную камеру сгорания с учетом распределения топлива по коллекторам и учетом инерционности заполнения топливных коллекторов и магистралей.
3. «Регулятор сопла» осуществляющий управление площадью критического и выходного сечения сопла на всех режимах работы двигателя и во всех эксплуатационных условиях с учетом инерционности исполнительных механизмов.
4. «Система запуска ФКС» осуществляющая управление запуском форсажной камеры сгорания во всех условиях эксплуатации на земле и в полете.
5. «Комплексный регулятор двигателя», обеспечивающий управление двигателем по ограничениям, управление охлаждением турбины, работу противообледенительной системы, выработку сигнала для включения противопомпажной системы двигателя, контроль и диагностику двигателя и его систем.
6. «Альфа руд», который определяет режим работы двигателя в зависимости от потребных параметров, определяемых надсистемой – летательным аппаратом или оператором на стенде.
7. « Регулируемая система охлаждения турбины», который обеспечивает потребные отборы воздуха на охлаждением турбины в зависимости от режима работы двигателя и внешних условий.
8. «Противообледенительная система», которая обеспечивает отбор подогретого воздуха на вход в двигатель при особых условиях эксплуатации.
9. «Противопомпажная система», которая обеспечивает подачу сигнала на включение противопомпажной системы при достижении регламентированного значения запаса устойчивости каскада компрессора.
10. Система датчиков, которая обеспечивает возможность виртуальной установки датчиков в заданное осевое и радиальное положение в проточной части двигателя. При этом появляется возможность учета инерционности и нелинейности характеристик датчиков, а также учета неравномерного поля параметров в сечении с помощью задания эпюры распределения параметров в сечении.

Сетевая модель ГТД совместно с САУКиД строится за счет задания информационных взаимосвязей между структурными элементами САУКиД между собой, а также со структурными элементами математической модели ГТД. Имитация управления двигателем в интегральной поэлементной математической модели ГТД и САУКиД осуществляется за счет минимизации невязок между параметрами, рассчитываемыми в модели ГТД и управляющими воздействиями, навязываемыми программой регулирования, реализованной в элементах САУКиД.

Таким образом, представлен разработанный авторами подход к созданию интегральной поэлементной математической модели газотурбинного двигателя совместно с поэлементной универсальной моделью системы автоматического управления, контроля и диагностики. Разработанный подход может быть использован при разработки систем управления, а также для отладки ГТД в серийном производстве.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта МК-30.2011.8.