Комплексный подход к совместному моделированию и исследованию рабочих процессов авиационных ГТД и его автоматики

Авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) – самый сложный в проектировании, изготовлении, сборке и обслуживании элемент летательного аппарата. На сегодняшний день становится невозможным проектирование и изготовление конкурентоспособной наукоемкой продукции без применения современных технологий, в том числе и математического моделирования.

В [1] подробно описывается система имитационного моделирования (СИМ) DVIG_OTLADKA [2] предназначенная для моделирования авиационных ГТД с учётом их автоматики и используемая при проектировании и доводке [3, 4]. Разработанная авторами СИМ способна моделировать практически любые типы ГТД, но ограниченное число схем и законов управления. Как было описано в [5], для создания универсальной системы моделирования необходима декомпозиция структурного элемента (СЭ) «Регулятор» (рисунок 1), представляющего собой интегральную модель автоматики двигателя, на универсальные СЭ, описывающие отдельные системы и элементы системы автоматического управления, контроля и диагностики двигателя. Сочетанием различного набора элементов, различными настройками каждого отдельного СЭ можно моделировать работу автоматики двигателей различных схем и законов управления. В данной работе введено ограничение, что все возможные системы автоматического управления (САУ) различных схем и законов ограничиваются применяемыми на современных серийно изготавливаемых ГТД для военных высокоманёвренных самолётов. В качестве двигателей-прототипов были выбраны двигатели IV поколения (семейства АЛ-31Ф и РД-33).

Декомпозиция СЭ «Регулятор» была начата со СЭ «РУД», имитирующего воздействие на двигатель лётчика или оператора стенда при помощи изменения угла установки рукоятки управления двигателем (). Для удобства пользователя и для уменьшения номенклатуры СЭ автоматики СЭ «РУД» также включает в себя «Гидрозамедлитель», ограничивающий скорость изменения угла установки РУД (для более качественного регулирования двигателем и избегания критических ситуаций при управлении двигателем). 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 – 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

Основной элемент автоматики, управляющий одним из регулирующих факторов, присутствующем на всех типах и разновидностях ГТД – расходом топлива в камере сгорания – насос-регулятор. Входные потоки СЭ «Насос-регулятор»: механический (по которому передаётся значение приведенной или физической частоты вращения ротора , по которой производится регулирование двигателя); два информационных потока, по одному из которых передаётся значение из СЭ «РУД», по другому передаётся значение расхода топлива из СЭ «Камера сгорания» (рисунок 2). По выходному информационному потоку передаётся значение расхода топлива , рассчитанное СЭ.

СЭ «Насос-регулятор» по значению _­ определяет значение частоты вращения ротора , которую необходимо обеспечить в данный момент времени, затем, по значению и частоте вращения ротора (пришедшим по входным потокам) по формуле (1) определяет новое значение расхода топлива (которое необходимо для поддержания заданной частоты вращения), данное значение передаётся по выходному информационному потоку:

(1)

СЭ «Насос-регулятор» может работать в режиме поддержания постоянной физической частоты вращения ротора (или приведённой частоты вращения). Соответствие частоты вращения ротора и угла установки РУД задаётся реальной характеристикой двигателя или функцией от с коррекцией по температуре на входе в двигатель: или .

Для ограничения минимального расхода топлива (на режимах малого газа, с точки зрения минимально допустимого распыла топлива) в СЭ «Насос-регулятор» предусмотрен входной параметр «Нижний упор (минимальный расход топлива), [кг/с]», ограничивающий минимальное значение расхода топлива в камеру сгорания при любых внешних параметрах.

Динамические характеристики различных элементов автоматики унифицировано задаются в виде коэффициентов нелинейного дифференциального уравнения второго порядка (2) [1]:

, (2)

где – коэффициент усиления; – колебательная постоянная времени, с; –дифференцирующая постоянная времени, с; – значение функции; – значение регулируемого параметра.

На рисунке 2 приведена схема одновального ГТД в СИМ DVIG_OTLADKA. В ней при помощи набора СЭ, описывающих элементы САУ, реализованы следующие законы: поддержание режима (частоты вращения) насосом-регулятором, ограничение максимальной частоты вращения ротора, ограничение максимальной температуры газов за турбиной, отключение охлаждения турбины на дроссельных режимах.

Рисунок 2 – Структурная схема имитационной модели ТРД с элементами автоматики в системе DVIG_OTLADKA, 1 – внешние условия; 2 – входное устройство; 3 – компрессор; 4 – отбор газа;

5 – камера сгорания; 6 – турбина; 7 – датчик 1; 8 – датчик 2; 9 – реактивное сопло; 10 – РУД; 11 – отбор мощности; 12 – отбор мощности 2; 13 – отбор мощности 3; 14 – ограничитель предельных параметров (механический); 15 – регулятор охлаждения турбины; 16 – смеситель информационных потоков; 17 – подача топлива; 18 – ограничитель предельных параметров (газодинамический); 19 – разветвитель информационных потоков; 20 – насос-регулятор; 21 – разветвитель информационных потоков 2; 22 – смеситель информационных потоков 2; 23 – общие результаты

Для получения информации о различных параметрах в проточной части двигателя используются различные по типу и принципу действия датчики (гребёнки приёмников полного давления, датчик статического давления, термопара и т.п.), у каждого из которых имеются свои погрешности измерений, погрешности установки (неравномерность поля параметров по сечению), погрешности связанные с динамическими характеристиками самих датчиков [6]. Для моделирования различных датчиков, устанавливаемых в проточной части ГТД создан СЭ «Датчик» (рисунок 2). Каждый из этих датчиков может быть использован в варианте с различной установкой в радиальном направлении, при этом в начальных параметрах СЭ необходимо задавать относительную высоту установки датчика и указывать файл с характеристикой неравномерности полей параметров вида , где – значение выданное датчиком; – замеренное значение (пришедшее в СЭ по газовому потоку); – относительная высота установки датчика.

По входному газовому потоку в СЭ «Датчик» передаются значения полного давления, полной температуры и расхода рабочего тела. По нижнему выходному газовому потоку передаются дальше те же значения (датчик не оказывает влияния на поток), по верхнему выходному газовому потоку передаются значения полного давления, полной температуры и расхода рабочего тела с учётом места установки датчика и его динамических характеристик.

Из условий прочности на ГТД обычно ограничивают максимальные значения частоты вращения, температуры газов перед турбиной, давление за компрессором. Данные регуляторы могут быть объединены в блок предельных регуляторов (БПР) или эту функцию исполняет комплексный регулятор двигателя (КРД). СЭ «Ограничитель предельных параметров (механический)» (рисунок 2) ограничивает максимальную частоту вращения ротора за счёт регулирования расхода топлива в камеру сгорания по формуле (3):

(3)

По входному механическому потоку в СЭ передаётся текущая частота вращения ротора , по входному информационному потоку передаётся текущее значение расхода топлива в камере сгорания . По выходному информационному потоку передаётся значение расхода топлива, насчитанное регулятором . Также в данном СЭ может осуществляться корректировка максимальной частоты вращения по температуре на входе в двигатель, при этом необходимо задавать характеристику вида .

СЭ «Ограничитель предельных параметров (газодинамический)» (рисунок 2) ограничивает расход или полное давление или полную температуру рабочего тела, которые передаются по входному газовому потоку. По входному информационному потоку передаётся текущее значение расхода топлива в камере сгорания . По формуле (4) определяется значение расхода топлива, насчитанное регулятором:

, (4)

где и – максимальное и текущее значение ограничиваемого параметра (полного давления, полной температуры, расхода рабочего тела).

Также СЭ «Ограничитель предельных параметров (газодинамический)» можно производить ограничение предельного газодинамического параметра с коррекцией по температуре воздуха на входе в двигатель (при этом необходимо задавать характеристику вида ).

По выходному информационному потоку передаётся значение расхода топлива, насчитанное регулятором .

В системе присутствуют три «технологических» элемента, это СЭ «Разветвитель информационных потоков», СЭ «Смеситель информационных потоков» и СЭ «Подача топлива». СЭ «Разветвитель информационных потоков» предназначен для создания из одного информационного потока (взаимосвязи) двух одинаковых (например, для передачи значения расхода топлива в СЭ «Камера сгорания» трём различным СЭ, рисунок 2). У СЭ «Разветвитель информационных потоков» один входной информационный поток и два выходных. СЭ «Смеситель информационных потоков» может работать в режиме выбора минимального значения расхода топлива (переключение программ регулирования, как показано на рисунке 2) и в режиме суммирования значений расхода топлива (различные коллектора камеры сгорания или форсажной камеры сгорания, как показано на рисунке 5). У СЭ «Смеситель информационных потоков» два входных информационных потока и один выходной. СЭ «Подача топлива» необходим для реализации закона расчёта (таблица 1), в котором расход топлива в СЭ «Камера сгорания» подбирается равным расходу топлива в СЭ «Подача топлива» (рисунок 2). СЭ «Подача топлива» есть один входной информационный поток, по которому передаётся значение .

Таблица 1

Закон расчёта с автоматикой, подающей топливо в камеру сгорания

Современные уровни температур перед турбиной для гражданских ГТД составляют около 1650 К, для военных ГТД достигают 1800 К с тенденцией к постоянному росту. Даже применяя современные монокристаллические жаропрочные сплавы невозможно создать работающую при таких температурах конструкцию, поэтому большинство современных двигателей имеют охлаждаемую турбину. Для увеличения экономичности двигателя (и, соответственно, дальности полёта) на пониженных режимах работы двигателя охлаждение отключают (уменьшают отбор воздуха). Обычно автоматика настроена таким образом, что охлаждение включается при достижении хотя бы одного из контролируемой группы параметров (например, температура газов за турбиной и частота вращения ротора) определённого значения, а отключается, когда все параметры стали меньше некоторой другой величины (рисунки 3 – 4).

Рисунок 3 – Условие включения (отключения) охлаждения турбины по частоте вращения

Рисунок 4 – Условие включения (отключения) охлаждения турбины по температуре газов за турбиной

В СЭ «Регулятор охлаждения турбины» (рисунок 5) по входному механическому потоку передаётся физическая и приведённая частота вращения ротора, по входному газовому потоку передаются параметры рабочего тела (полная температура). В СЭ необходимо установить параметры соответствующие включённому и отключенному охлаждению. Режимы работы СЭ: регулирование по частоте вращения; регулирование по приведенной частоте вращения; регулирование по температуре; регулирование по температуре и частоте вращения; регулирование по температуре и приведенной частоте вращения. Для работы СЭ «Регулятор охлаждения турбины» необходим закон расчёта, приведённый в таблице 2.

Таблица 2

Закон расчёта с СЭ «Регулятор охлаждения турбины»

На рисунке 5 приведена схема двухвального ТРДФ в системе имитационного моделирования DVIG_OTLADKA. В ней при помощи набора СЭ, описывающих элементы САУ реализованы следующие законы: поддержание режима (частоты вращения ротора высокого давления) насосом-регулятором; управление критическим сечением сопла регулятором ПиТ (по газодинамическим параметрам); управлением расходом топлива в форсажную камеру регулятором форсажного топлива и четырьмя форсажными коллекторами; розжиг форсажной камеры огневой дорожкой.

Рисунок 5 – Топологическая структурная схема имитационной модели двухвального ТРД с элементами автоматики в системе DVIG_OTLADKA, 1 – внешние условия; 2 – входное устройство; 3 – компрессор низкого давления; 4 – отбор газа; 5 – компрессор высокого давления; 6 – отбор газа 2; 7 – датчик;

8 – камера сгорания; 9 – датчик 2; 10 – отбор мощности; 11 – турбина высокого давления; 12 – турбина низкого давления; 13 – датчик 3; 14 – форсажная камера; 15 – реактивное сопло; 16 – РУД;

17 – разветвитель информационных потоков; 18 – насос-регулятор; 19 – подача топлива (в камеру сгорания); 20 – огневая дорожка; 21 – регулятор форсажного топлива; 22 – регулятор ПиТ (по газодинамическим параметрам); 23 – смеситель информационных потоков; 24 – коллектор форсажный; 25 – подача топлива (в форсажную камеру); 26 – общие результаты

Для двигателей с форсажной камерой критичным становится переходный процесс включения форсажа, в течение которого может начаться помпаж компрессора, пламя в форсажной камере может погаснуть. Для предотвращения этого САУ двигателя во время розжига форсажа на некоторое время приоткрывает сопло (увеличивает площадь критического сечения сопла), двигатель снижает частоту вращения ротора низкого давления, уменьшает расход топлива в камеру сгорания, повышает запасы газодинамической устойчивости компрессоров, улучшает условия горения топлива в форсажной камере.

У двигателей семейства АЛ-31Ф автоматика отслеживает суммарную степень понижения давления на турбинах и для её поддержания регулирует площадь критического сечения сопла. В момент розжига поддерживаемая суммарная степень понижения давления на 1,5 с увеличивается на некоторое значение. У двигателей семейства РД-33 САУ отслеживает скольжение роторов и для её поддержания регулирует площадь критического сечения сопла. В момент розжига скольжение роторов на некоторое время перестраивается на другое значение.

Для описания элементов САУ двигателей семейства АЛ-31Ф, регулирующих площадь критического сечения сопла используется СЭ «Регулятор ПиТ (по газодинамическим параметрам)» (рисунок 5). По входным информационным потокам в СЭ «Регулятор ПиТ (по газодинамическим параметрам)» передаются значения угла установки РУД и площадь критического сечения сопла от СЭ «Реактивное сопло». По входным газовым потокам передаются значения давления перед и за турбинами . По полученным параметрам СЭ определяет текущую степень понижения давления , степень понижения давления поддерживаемую регулятором , площадь критического сечения сопла определяется по формуле (5):

. (5)

Также СЭ «Регулятор ПиТ (по газодинамическим параметрам)» может корректировать площадь критического сечения сопла по температуре на входе в двигатель, для этого необходимо задать характеристику вида . Для работы СЭ «Регулятор ПиТ (по газодинамическим параметрам)» необходим закон расчёта, приведённый в таблице 3.

Таблица 3 – Закон расчёта с СЭ «Регулятор ПиТ»

Для описания элементов САУ двигателей семейства РД-33, регулирующих площадь критического сечения сопла используется СЭ «Регулятор ПиТ (по частоте вращения)» (рисунок 5). По входному информационному потоку в СЭ «Регулятор ПиТ (по частоте вращения)» передаются значения площади критического сечения сопла от СЭ «Реактивное сопло». По входным механическим потокам передаются физические и приведённые частоты вращения роторов. По характеристике вида определяется значение частоты вращения ротора низкого давления , по формуле (6) определяется площадь критического сечения сопла:

. (6)

СЭ «Регулятор ПиТ (по частоте вращения)» работает в следующих режимах: по приведенной частоте КВД регулируется приведенная частота КНД; по приведенной частоте КВД регулируется физическая частота КНД; по физической частоте КВД регулируется приведенная частота КНД; по физической частоте КВД регулируется физическая частота КНД.

Для работы СЭ «Регулятор ПиТ (по частоте вращения)» необходим закон расчёта, приведённый в таблице 3.

СЭ «Огневая дорожка» предназначен для моделирования системы розжига форсажной камеры. По входным информационным потокам в СЭ передаются значения угла установки РУД и давление на выходе из СЭ «Камера сгорания» . По геометрическим характеристикам топливоподающей форсунки, по заданным параметрам СЭ (количество доз топлива, интервал времени между дозами) рассчитывается давление топлива, генерируется сигнал в СЭ «Форсажная камера», допускающий воспламенение топлива.

Топливо в форсажную камеру ГТД дозируется и подаётся агрегатом РТФ (регулятор топлива форсажа) в зависимости от угла установки РУД, параметров двигателя (например, давления за компрессором высокого давления). По входным информационным потокам в СЭ «Регулятор форсажного топлива» передаются значения угла установки РУД и текущего расхода топлива в форсажной камере . По входному газовому потоку передаётся давление на выходе из компрессора . Значение расхода топлива может быть задано во входных параметрах или определено по характеристике вида: . По заданным во входных параметрах СЭ долях расхода топлива в каждом коллекторе, суммарный расход топлива разделяется на семь выходных информационных потоков (значения расхода топлива в каждом коллекторе затем передаются к СЭ «Коллектор форсажный»).

В СЭ «Коллектор форсажный» по заданным геометрическим характеристикам коллектора, форсунок и параметрам потока на выходе из форсажной камеры, определяется давление топлива в коллекторе. Расход топлива передаётся далее по выходному информационному потоку. Также возможен такой режим работы СЭ «Коллектор форсажный» в котором по геометрическим характеристикам стабилизатора форсажной камеры, параметрам потока и расхода топлива определяется возможность устойчивого горения (или срыва пламени), тогда по выходному информационному потоку передаётся расход топлива равный нулю.

В результате разработки созданы одиннадцать универсальных СЭ, каждый из которых моделирует определённую функцию САУ, три «технологических» СЭ. Различным набором и настройками СЭ можно моделировать САУ двигателей для современных, серийно выпускаемых военных высокоманёвренных самолётов, моделировать различные переходные процессы, протекающие в авиационных ГТД в работе в различных условиях, в производстве при отладке автоматики.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ МК-30.2011.8.

литература:

1. Кишалов А.Е. Повышение эффективности процесса отладки форсажных режимов при испытаниях ТРДДФ: дис. канд. техн. наук. / А.Е. Кишалов; науч. рук. Д.А. Ахмедзянов. – Уфа: УГАТУ, 2010 . – 234 с.

2. Кишалов А.Е. Система имитационного моделирования DVIG_OTLADKA /А.Е. Кишалов, Д.А. Ахмедзянов, И.А. Кривошеев // Свидетельство №2009610324 Москва, Роспатент. – 2009.

3. Кишалов А.Е. Моделирование переходных процессов, протекающих при отладке автоматики при испытаниях ТРДДФ / А.Е. Кишалов Д.А. Ахмедзянов // Вестник ВГТУ, Воронеж, 2011. -Т.7(8).- С.152-158.

4. Кишалов А.Е. Повышение эффективности процесса отладки форсажных режимов при испытаниях ТРДДФ /А.Е. Кишалов // Мавлютовские чтения: Российская научно-техническая конференция: сб. трудов в 5 т. Том 2. Проблемы расчета, проектирования и производства авиационно-ракетной техники / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа: УГАТУ, 2011. – С. 110–113.

5. Кишалов А.Е. Формирование подходов к моделированию газотурбинных двигателей совместно с элементами систем автоматического управления, контроля и диагностики /А.Е. Кишалов, Д.А. Ахмедзянов, А.Е. Михайов //Журнал “Молодой ученый”, Чита, 2011. - Т.1 №7 (30).– С. 15-19.

6. Кишалов А.Е. Проведение замеров параметров потока в условиях трёхмерного турбулентного течения в элементах энергоустановок /А.Е. Кишалов, Д.А. Ахмедзянов, А.Б. Козловская // Журнал “Молодой ученый”, Чита, 2011. - №1 (24). – С. 12-15.