Экспериментальное исследование статических и динамических характеристик газотурбинных двигателей на автоматизированных лабораторных установках SR-30 и TJ-100 при различных алгоритмах управления двигателем

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

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

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.

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

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.