Динамика контура регулирования частоты вращения ротора турбонасосного агрегата водородного ГТД нк-88 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.45.00.11.018.3

ДИНАМИКА КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА ТУРБОНАСОСНОГО АГРЕГАТА ВОДОРОДНОГО ГТД НК-88

© 2016 В.А. Букин1, А.Г. Гимадиев2

1 ПАО «Кузнецов», Самара 2 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Статья поступила в редакцию 20.10.2016

Представлена линеаризованная модель контура автоматического регулирования частоты вращения турбонасосного агрегата водородного ГТД НК-88, созданного в 1980-ые годы. Наличие в системе топливопитания и регулирования двигателя НК-88 теплообменника-газификатора приводит к появлению значительного запаздывания, являющегося основным фактором, определяющим конфигурацию системы. Турбонасосный агрегат также имеет инерционность, влияние которого необходимо учитывать при выборе структуры и параметров системы. В статье приведено обоснование принципиальных решений, позволивших отдать предпочтение каскадной системе топливопитания и регулирования. Приведены экспериментальные частотные характеристики теплообменника и других звеньев контура регулирования. Предложены мероприятия по компенсации влияния запаздывания теплообменника на устойчивость системы. Приведенный в статье материал может быть использован при разработке систем автоматического регулирования двигателей и энергетических установок, работающих на криогенном топливе.

Ключевые слова: газотурбинный двигатель на криогенном топливе, каскадная система регулирования, турбонасосный агрегат, теплообменник, испытания, частотные характеристики, запаздывание, анализ.

ВВЕДЕНИЕ

Инициатором исследований применимости криогенных топлив для авиации был академик РАН Н. Д. Кузнецов, благодаря которому и под его руководством в ПАО «КУЗНЕЦОВ» в 1980-1990 годы были созданы двигатели НК-88 и НК-89, работающие на жидком водороде и сжиженном природном газе. Интерес к газотурбинным двигателям, работающим на криогенных компонентах топлива, не стихает до сих пор [1-6]. Это связано с тем, что в последние годы увеличилось энергопотребление и, прежде всего, углеводородных топлив, сопровождавшееся значительным осложнением земной экологической обстановки. Кроме этого, увеличение потребления углеводородных топлив привело к росту темпов исчерпания не возобновляемых запасов нефти.

При создании двигателей на криогенных топливах возникают проблемы, связанные с выбором принципиальной схемы системы топливо-питания и регулирования, способами обеспечения взрыво- и пожаробезопасности, с управлением тепло- и газодинамических процессов, с контролем утечек топлива и многими другими явлениями. Однако при этом наиболее важным является обеспечение динамики многоконтурной системы топливопитания и регулирования двигателя, от которого зависит её устойчивость и качество процессов управления.

Букин Валерий Афанасьевич, ведущий инженер. Гимадиев Асгат Гатьятович, доктор технических наук, профессор кафедры автоматических систем энергетических установок. E-mail: [email protected]

Структура созданной системы топливопитания и регулирования авиационного ГТД НК-88, использующего в качестве топлива жидкий водород, обусловлена следующими её особенностями:

- перед подачей в камеру сгорания жидкий водород газифицируется в теплообменнике (ТО), установленном за турбиной;

- для подачи жидкого водорода используется турбонасосный агрегат (ТНА) с центробежным насосом и приводом турбины воздухом, отбираемым из-за компрессора двигателя.

Особенностям систем топливопитания и регулирования авиационных газотурбинных двигателей на криогенном топливе посвящена работа [7], в которой приведены математические модели узлов систем автоматического регулирования (САР), экспериментальные переходные характеристики, сопровождающиеся автоколебательными процессами. Однако в этой работе не полностью вскрыт механизм возникновения неустойчивости систем, что обусловлено сложностью взаимодействия звеньев и имеющимися динамическими контурами.

Наличие в системе регулирования теплообменника-газификатора приводит к появлению значительного запаздывания, зависящего как от расхода или режима работы двигателя и теплофизических свойств водорода, так и от параметров теплообменника (поверхности нагрева, внутреннего объёма). Запаздывание при газификации водорода в теплообменнике является основным фактором, определяющим конфигурацию системы регулирования. ТНА также имеет инерционность, влияние которой

необходимо учитывать при выборе параметров системы.

В практике эксплуатации сложных САР, в том числе с запаздывающими звеньями, каким является теплообменник-газификатор жидкого водорода, зачастую приходится прибегать к каскадному регулированию, когда вводится внутренний контур со статическим регулятором, управляемым внешним, основным контуром [8, 9]. Введение внутреннего контура с дополнительным регулированием значительно улучшает качество переходных процессов.

С другой стороны, многофакторность параметров ТНА (частоты вращения, напорной характеристики насоса) и влияние теплообменника-газификатора на динамические свойства насоса, можно использовать для снижения эффекта запаздывания самого теплообменника.

Цель настоящей статьи - кратко обосновать принципиальные решения, позволившие отдать предпочтение каскадной системе топливопита-ния и регулирования, при этом основное внимание уделить динамике внутреннего контура регулирования частоты вращения ТНА, которая является ключевой в исследуемой системе.

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТОПЛИВО-РЕГУЛИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

Как известно, одноконтурные САР являются предельно простыми, но при значительной инерционности объекта или объектов регулирования (в нашем случае имеется три объекта - ГТД, ТНА и ТО), возможности таких систем по обеспечению устойчивости и быстродействия ограничены, так как единственным способом повышения качества регулирования является введение производной в закон регулирования [8].

Для повышения качества регулирования сложных систем, в том числе с запаздыванием, применяют каскадные системы со стабилизирующим статическим регулятором дополнительной

Рис. 1. Функциональная схема САР двигателя НК-8

регулируемой величины во внутреннем контуре. Введение контроля над таким дополнительным регулируемым параметром может значительно улучшить качество переходного процесса в САР [9].

Каскадная САР разработана для водородного ГТД НК-88 (рис. 1). Основной контур, как и у базового ГТД НК-8-2У, управляется регулятором НР-8 по частоте вращения ротора ВД пВД, а внутренний топливоподающий контур - по частоте вращения ротора ТНА пТНА. Принципиальное решение по топливо-регулирующей системе газотурбинного двигателя НК-88 заключаются в том, что управление топливной системой осуществляется контуром регулирования частоты вращения ТНА без непосредственного регулирования расхода водорода [10].

Введение такого внутреннего контура регулирования исключает измерение и использование каких-либо параметров водорода в управлении, а срывные явления в насосе не нарушают нормальную работу САР и не препятствуют восстановлению работы насоса после его срыва. Эти два фактора повышают функциональную надёжность топливо-регулирующей системы, что и подтвердилось при испытаниях двигателя НК-88, в том числе лётных в составе экспериментального самолёта ТУ-155.

В САР ГТД (см. рис. 1) внутренний контур регулирования ТНА включает в себя систему подачи водорода, состоящую из центробежного насоса ЦН, жидкостного дросселя ДР, теплообменника ТО, форсунок камеры сгорания и автоматического регулятора АР частоты вращения ротора ТНА, управляющего воздушным дросселем ВД.

Главные закономерности, определяющие динамику такой системы - взаимосвязь расхода жидкого водорода СЖ, газифицированного его расхода 0Г и регулируемой величины - частоты вращения ротора ТНА пТНА.

Зависимость пТНА от давления воздуха перед турбиной РВТ характеризует динамику ротора ТНА, а зависимость 0Г от РВТ - динамику системы подачи топлива. Зависимость 0Г от управляющего воздействия регулятора основного контура в виде изменения давления РРЕЖ характеризует динамику всего внутреннего контура.

Определение в динамике влияния расхода жидкого водорода СЖ на выходе из ЦН от пТНА дает возможность оценить важное свойство системы подачи - динамическое форсирование насоса (рис. 2).

В случае «жесткой» сети, когда характеристика сети не регулируется и не изменяется во время переходных процессов, расход топлива на выходе из насоса полностью определяется частотой вращения его ротора. Такой сетью для насоса является жидкостный дроссель ДР с постоянным давлением за ним.

При отставаниях по времени давления от расхода в сети, каковой является сеть с теплообмен-

Рис. 2. Изменение давления на выходе ТНА АРН от расхода жидкого водорода СЖ при периодических колебаниях частоты вращения ротора насоса пН: 1 - статическая характеристика топливной магистрали (сети); 2 - изменение 6Ж и РН в динамике

ником-газификатором, механизм взаимодействия приобретает новое качество. Отсутствие регулируемых дросселей в системе позволяет проявить это качество в «чистом» виде. На характеристике насоса (см. рис. 2) в координатах ДРН - СЖ при различных частотах вращения ротора ТНА пН (пТНА) нанесена статическая характеристика сети и траектории изменения расхода СЖ при периодических колебаниях пТНА определенной частоты. Если предположить, что перепад давления на форсунках камеры сгорания сверхкритический, то характеристика сети в основном определяется давлением перед форсунками или газифицированным расходом теплообменника. За счёт временных отставаний при преобразовании жидкого криогенного топлива в газообразное при колебаниях пТНА происходит следующее. При увеличении частоты вращения пТНА и жидкостного расхода СЖ давление в сети отстает. Вследствие этого происходит отклонение линии сети в область больших расходов, т.е. жидкостный расход оказывается больше, по сравнению с расходом жидкого водорода на установившемся режиме. При уменьшении пТНА расход топлива будет меньше, чем по статической характеристике.

Таким образом, происходит как бы «форсирование» насоса по расходу топлива. Следовательно, схема регулирования, в которой имеется влияние сети на насос, может обладать весьма важным свойством - автоматически регулируемой частичной компенсации запаздывающих свойств теплообменника-газификатора.

ЛИНЕАРИЗОВАННАЯ МОДЕЛЬ КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТНА

Предлагаемая линеаризованная модель контура регулирования частоты вращения ротора ТНА отражает закономерности динамического взаимодействия звеньев в САР. В этой модели теплообменник-газификатор ТО представлен

последовательным соединением четырех апериодических звеньев, причем три звена из них имеют одинаковые постоянные времени:

ДСг __1_

жто(5) (Т^*!)^*!)^ (1)

где А Ср, А (¿ж - изображения по Лапласу приращений расхода газообразного и жидкого водорода. Такая модель ТО определена по результатам аппроксимации экспериментальных частотных характеристик [11].

Остальные звенья представлены следующим образом.

Ротор ТНА, как инерционное звено, описывается передаточной функцией

мт , ч Д^ТНА ^ТНА

^тнаО) = -Та~ = "v, (2)

ДМ 5

где ДйтнА, А М - приращения изображений по Лапласу частоты вращения и избыточного момента на роторе ТНА; /СтНА = 1/./тНА коэффициент передачи ТНА; /тна - приведённый момент инерции ротора ТНА.

Передаточная функция статического регулятора частоты вращения ТНА имеет вид:

1» т Г \ ^рег

щ>ег(5) =1Т~- = „ . , , (3)

где ДРвт, АРар = А^РЕЖ _ АРдчв - приращения изображений по Лапласу давления воздуха на входе в турбину и разницы в перепадах давления задатчика ДРРЕЖ и на выходе из датчика частоты вращения ДЧВ ДРдЧВ; крег, Трег - коэффициент усиления и постоянная времени регулятора.

При определении коэффициентов в представленной модели САР принято допущение о том, что сопротивление криогенной топливной магистрали представлено двумя сосредоточенными дросселями - в жидкостной и газообразной магистралях.

На рис. 3 представлена схема системы подачи топлива, а на рис. 4 - структурная схема системы регулирования пТНА с контуром подачи топлива.

Особенностью модели САР, представленной на рис. 4 в виде структурной схемы, является

Рис. 3. Схема системы подачи топлива в двигатель

Рис. 4. Структурная схема

наличие отрицательных обратных связей, характеризующих влияние жидкостного и газового дросселей на расход топлива на выходе из насоса, а также давления и расхода топлива за насосом на нагрузку ротора ТНА.

Коэффициенты передачи звеньев в структурной схеме САР записываются в следующем виде: кж = &РЖ/№ж - коэффициент передачи жидкостного сопротивления; АРЖ = Д^н _ АРр ; ку = ДРг/^^г - коэффициент передачи газового сопротивления; кц = — ДС^/ДСц - коэффициент передачи насоса по давлению при nТНА=const, определяющий наклон характеристики ТНА (в зависимости от наклона характеристики насоса может принимать положительное или отрицательное значения); кРн = Д^н/^ТНА - коэффициент передачи насоса по частоте вращения его ротора при GЖ=const; кмс = ДМс/ДСж - коэффициент нагрузки насоса по расходу топлива; кМР = АМр/АРц - коэффициент нагрузки насоса по давлению; кдц в = ДРдчв/^пТНА -коэффициент передачи датчика частоты вращения ТНА; = ДМТ/ДРВТ - коэффициент передачи турбины.

На основании представленной структурной схемы составлены передаточные функции для упомянутых выше характерных зависимостей между звеньями САР.

Передаточная функция ($) = ДСж/ДпТНА, характеризующая зависимость расхода водорода на выходе из насоса от частоты вращения его ротора в соответствие с представленной на рис. 4 структурной схемой, имеет следующий вид:

контура регулирования ТНА кРнкн

К

(5)=

5 + П № + Т2)з3 + ЗГ2(7\ + г2>2 + . (Тг + 3 Т2)з + 1

а0154 + ссцЗ* + а2 ^

+а315 + 1

21

, (4)

кг =

1 + кн(кт + кжУ

«01 —

1 + кнкж

1 + ки(_кг + кж)'

а11 =

«21 =

71(1 + ^X37^ + ^) 1 + кн(.кг + кж) '

ЗТ2(1 + /сн/сж)(Г1 + Г2) 1 + + '

(1 + ^У^! + ЗГ2)

Передаточная функция (4) является форсирующей за счет того, что коэффициенты уравнения знаменателя меньше соответствующих коэффициентов числителя на величину

которая всегда меньше единицы, независимо от знака

При уменьшении сопротивления жидкостного дросселя (уменьшается) и наклона характеристики насоса (при положительном кц), увеличении сопротивления газовой магистрали (увеличивается) повышается форсирующее свойство топливного насоса.

Передаточная функция ротора ТНА по частоте вращения И^наС^) = Д^тна/А^вт имеет вид:

, Л к2(Т3 + 1)(Т25 + I)3 И*гна00 = г„ _ , _ ,я .V (5)

«025 + «12* + а22* +

а^э2 + + 1

где

К =

где

кИкРп[кмс + кМР(кг + кж)]'

«02 =

«12 =

ппа + км

кИкТИАкРп[кмс + кМР(кГ + кж)]'

П

(1 + кЕкж) + кнктнАкрп(.кмс + кМРкж)

«22 =

кИкТНАкРп[кмс + кМР(кг + кж)]'

(1 + + Т2) +

кяктнАкрп(иМСк+)ОТ1 + Т2) \КМРКЖ)

к^ктшкрп\кмс + кМр(.кт + кж)]

ЗТ,

«32 =

«42 =

(1+кма^ + з г2) +

кнкТЕАкРп (,МС, ) + Т2)

\КМРКЖ/

кЕкТИАкРп[кМ(; + кМР(кг + кж)] '

1 + кЕ(кт + кж) + ■к}\ктшкРп(кМС1 + кМРкжШ + ЗТ2).

кнктнАкрп[кмв + кМР(кг + кж)] Передаточная функция замкнутой системы подачи газообразного водорода

^спт(5) = Д^г/А^вт имеет вид:

^сптОО = ^

«025 + «12*4 + «225 + «32^2 + «42$ + 1

(6)

где

кч =

кмв + кмр (кт + кж)'

где ^ТНА =

ГТНА5 + 1 ' 1 + кн(кт + кж)

=

к^Т^ + 1)(Т15 + 1)

' + «245 + «3453 + Я44$2 + «545 + «64-

, (8)

где

кл —

сдчв

«04 —

«14 =

^рег«02 ^З^рег^ДЧВ

«02 + ^рег«12 ^З^рег^ДЧВ

_ «12 + Трег«22 з,

24 ~ ~ГТ Ъ 12 '

/сЗкрег/сДЧВ

_ «22 + Трег«32 , ^ «34 —

к^кпо^кп

«44 —

+ Г|(ЗГ1 + Г2);

рег^ДЧВ

= аь, + трег«42 + 37.2(7.1+7.2).

КъКпагКп

сЗ/срег/сДЧВ

«54 =

«54 =

_ «42 + ?рег«52

^З^рег^ДЧВ

+ 71! + ЗГ2;

«52

к^кпргкп

+ 1.

ьрег«-ДЧВ

Передаточная функция замкнутого контура регулирования по каналу газифицированного

расхода Ж,ам ($) = ДСг/ДРреж равна:

И^ОО =

к5(т15 + 1)(т25 + 1У

а0154 + а1153 + «2152 + «31$ + 1.

В случае, когда Т1 и Т2 равны нулю или частотный диапазон работы системы подачи топлива (СПТ) позволяет принять эти постоянные времени равными нулю, то передаточные функции ротора ТНА и системы подачи принимают вид апериодического звена с одинаковой постоянной времени:

к2

^тнаО) = ИЪптО) = ^——тт , (7)

«045 + «145 +

а2454 +

«3453 + «44^2 + «545 + «64

(9)

где

кг =

1Рп

кнкТИАкРп[кмс + кМР(кг + кж)]'

Передаточная функция замкнутого контура регулирования по частоте вращения ротора ТНА

И^О) = ДПтнА/ДД)еж имеет вид:

кДЧВ[ 1 + кя(кт + £ж)]'

Для выражения (9), представляющего собой результирующую передаточную функцию системы, как и для функций (3) и (8), характерно наличие форсирующих звеньев, приводящих к уменьшению отрицательного влияния теплообменника.

АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТНА

На рис. 5 приведены напорные характеристики центробежного криогенного ТНА с характеристикой сети при различных подогревах водорода и границей кавитационной устойчивости. Особенность характеристик заключается в пологих,

АРН>

МП а 3,5

3.0 2,5 2,0 1,5 1,0 0.5

50000 ^ &

т 4500 — 1

400, М / \

¡* ООО ^ Т Ч /

и * _ "// у /

* * /У }/ // / 20 / - 250< ООО — 9000 ю

^ /

щ — И = 15000 об/ми! 1

6

8

£>ж ■ 10 % лг

Рис. 5. Напорные характеристики центробежного ТНА практически горизонтальных характеристиках на низких режимах, что является фактором, способствующим снижению динамической устойчивости системы подачи топлива [12].

На рис. 6 приведена экспериментальная логарифмическая амплитудно-фазовая частотная характеристика (ЛАФЧХ) теплообменника (диаметр трубок 25.10-3 м, объём 6,1. 10-3 м3 , площадь обогрева 0.97 м2 ), которая аппроксимирована передаточной функцией (см. формулу (1))

МтоО) =

(0.185 + 1)(0.025 + I)3'

Ьт

Ор/Оз; ;

ДБ -20

-40

-60

-80

> V

! I

2/

1 1 со с V А

0,1 1 10 со,

<Р,

ОГ'^Ж: град

-100

-200

с"1

Рис. 6. Экспериментальные логарифмические амплитудно-частотная (1) и фазочастотная (2) характеристики теплообменника (входной параметр СЖ, выходной параметр 0Г) при пВД = 6650 об/мин; (сплошные линии - аппроксимация)

Для конкретизации условий работы ТО на ЛАФЧХ указана частота среза основного контура регулирования юс. На частоте среза юс основного контура для режима по частоте вращения ротор ВД двигателя пВД =6650 об/мин ТО имеет фазовое отставание (рсг/вж , равный минус 60°. Для всех режимов фазовое отставание на частоте среза юс находится в пределах от минус 50° до минус 60°.

Экспериментальная ЛАФЧХ ротора ТНА на максимальном режиме по каналу пТНА/РВТ приведена на рис. 7.

Ьт

'-1 НА ^ I

ДБ

-20

-40

-60

0,1

> ■

/ 1

/

т-1-'-

-Г» 1

^игна'^Г' град

-50

1

10

го,с

-100

-1

Рис. 7. Экспериментальные логарифмические амплитудно-частотная (1) и фазочастотная (2) характеристики ротора ТНА (входной параметр РВТ, выходной параметр пТНА) при пТНА = 6680 об/мин (сплошные линии - аппроксимация)

Аппроксимирующая передаточная функция ротора ТНА, соответствующая характеристикам, приведенным на рис. 7, представлена в виде

МтнаО) = (ТтНА2 + 1)/(7тнА1 + 1) .

На рис. 8 представлены зависимости ГТНА1 и ГТНА2 от режима работы двигателя.

Форсирующие свойства ротора ТНА связаны с влиянием запаздывающего влияния сети насоса, т.е. теплообменника-газификатора.

С увеличением режима работы двигателя инерционность ТНА уменьшается в несколько раз, а относительное влияние форсирования -увеличивается.

На рис. 9 и рис. 10 приведены характерные экспериментальные ЛАФЧХ звеньев топливо-регулирующей системы двигателя НК-88. На экспериментальные характеристики нанесены расчетные данные, соответствующие группе звеньев, построенных по параметрам структурной схемы контура по частоте вращения ротора ТНА.

Из фазочастотной характеристики насоса (см. рис. 9) ясно, что он обладает форсирующим свойством. Фазовое опережение для представленного режима и частоты среза 2,82 с-1 составляет 35°, а максимальное фазовое опережение достигает 60°.

Необходимо ещё раз обратить внимание на форсирующие свойства внутреннего контура регулирования, не выполняющего прямого регулирования расхода топлива на выходе из насоса.

Т

ТНА1'

Г

ТНА2

С 1

0,8 0,6 0,4 0,2

01,1

\

\ V

0,38 0,35

0,045 0,042 0,033 0,03 оюз

4500 5000 5500 6000 ивд,об/мин

Рис. 8. Экспериментальная зависимость параметров динамических звеньев ТНА от частоты вращения ротора ВД:

О - ТТНА1; П - ТТНА2

Ьт

^10 о -10

»

1II р-

1 \ 1 ч

л

град

50

0

0,1

1

10

05, С

Рис. 9. Экспериментальные логарифмические амплитудно-частотная (1) и фазочастотная (2) характеристики насоса ТНА (входной параметр пТНА, выходной параметр 0Ж) при частоте вращения ротора ВД двигателя 5700 об/мин

Расход жидкого водорода СЖ опережает по фазе

Рис. 10. Экспериментальные логарифмические амплитудно-частотная (1) и фазочастотная (2)

характеристики соответствующего звена (входной параметр ОЖ, выходной параметр Рреж) при частоте вращения ротора ВД двигателя 6350 об/мин

Рис. 11. Экспериментальные логарифмические амплитудно-частотная (1) и фазочастотная (2) характеристики внутреннего контура САР

сигнал Р , задающий режим работы ТНА (см. (входной паРаметР ^*кОДной параметр ф

рис. 10). На частоте среза юс опережение составляет 25°, а для всех режимов - в диапазоне 11° ... 26°.

ЛАФЧХ замкнутой системы внутреннего контура с передаточной функцией

(сл ~ ~

^зам = ДСг/ДРреж, являющейся результирующей характеристикой для номинального режима работы двигателя, представлена на рис. 11.

Благодаря форсирующему свойству насоса по расходу топлива, осуществляется частичная компенсация запаздывания теплообменника-газификатора. На частоте среза основного контура регулирования отрицательный фазовый сдвиг внутреннего контура регулирования ТНА по параметру 0Г относительно РРЕЖ составляет минус 45°. На других, более низких режимах, вплоть до малого газа, фазовое запаздывание находится в

при пВД = 6650 об/мин (сплошные линии - аппроксимация)

пределах от минус 28° до минус 43°.

Дальнейшее повышение быстродействия внутреннего контура достигается уменьшением теплового запаздывания теплообменника за счет уменьшения диаметра трубок и снижения их внутреннего объема.

Так, у теплообменника с диаметром трубок 3.10-3 м и объёмом 0,6.10-3 м3 на частоте среза основного контура юс отрицательный фазовый сдвиг газообразного расхода относительно жидкостного расхода топлива уменьшается от минус 50° (первый ТО) до минус 30°, что значительно улучшает динамическое качество основного контура.

ВЫВОДЫ

1. Каскадная схема САР с основным внешним контуром регулирования параметров двигателя и внутренним контуром регулирования частоты вращения ротора ТНА без непосредственного регулирования расхода водорода обеспечила работу двигателя НК-88, в том числе и в процессе лётных испытаний в составе экспериментального самолёта ТУ-155.

2. Аппроксимация экспериментальных частотных характеристик внутреннего контура регулирования частоты вращения ротора ТНА в виде передаточных функций линейных звеньев выявила ряд закономерностей их динамической связи. Контур регулирования частоты вращения ТНА частично компенсирует запаздывание теплообменника-газификатора, что способствует обеспечению устойчивости и приемлемого быстродействия САР во время переходных процессов.

3. Эффективное улучшение качества переходных процессов достигается снижением запаздывания теплообменника за счёт уменьшения диаметра его трубок с соответствующим снижением объёма.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Dini Dino. Hydrogen-fueled engines for low and high supersonic airplanes. Hydrogen Energy Progr. VII: Proc. 7th World Hydrogen Energy Conf. Moscow. 1988. рр. 1855-1883.

2. Volkhausen R. Deutsche Airbus. Proc. World Clean Energy Conf.: World Energy Coalit. Glob. Energy Charter, Geneva. Zurich. 1991. рр. 470.

3. Volkhausen R. Untersuchungen zur Einfuhrung kryogener Treibstoffe in die zivile Luftfahrt. VDI-BER.

1992. № 912. pp. 171-189.

4. Contreras S. YigitK. Ozay and T.N. Veziroglu. Hydrogen as Aviation Fuel: Comparison With Hydrocarbon Fuels. Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 22, No. 10/11, - pp. 10531060, 1997.

5. Kolja Seeckt. Conceptual Design and Investigation of Hydrogen-Fueled Regional Freighter Aircraft. Licentiate Thesis Stockholm, Sweden 2010. 92 p.

6. Hydrogen powered aircraft: The future of air transport / Bhupendra Khandelwal, Adam Karakurt, Paulas R. Sekaran, Vishal Sethi, Riti Singh // Progress in Aerospace Sciences 60 (2013) - pp. 45-59.

7. Особенности систем топливопитания и регулирования авиационных газотурбинных двигателей на криогенном топливе / В.П. Шорин, С.М. Игначков, Е.В. Шахматов [и др.]. Самара: СГАУ, 1998. 148 с.

8. Широкий Д.К., Куриленко О.Д. Расчёт параметров промышленных систем регулирования. Справочное пособие. Киев: Техшка, 1972. 232 с.

9. Турецкий Х. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием [пер. с польского]. М.: Машиностроение, 1974. 328 с.

10. Букин В.А. Методы инженерного синтеза САР ГТД, работающих на криогенном топливе // Вестник СГАУ. 2011. № 3(27), часть 2. С. 68-77.

11. Букин В.А. Экспериментальные динамические характеристики теплообменников-газификаторов водородного ГТД НК-88 и НК-89 // Международный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ, Самара, 5-7 сентября 2012 года: Сборник трудов в 3 томах. Том 2. Самара: Изд. СГАУ, 2012. С. 191-193.

12. Букин В.А., Гимадиев А.Г. Анализ устойчивости контура «насос-теплообменик-сеть» криогенной топливной системы ГТД // Международный научно-технический форум, посвященный 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ, Самара, 5-7 сентября 2012 года: Сборник трудов в 3 томах. Том 2. Самара: Изд. СГАУ, 2012. С. 187-189.

THE HYDROGEN-FUELED ENGINE NK-88 TURBOPUMP UNIT ROTOR SPEED CONTROL CIRCUIT DYNAMICS

© 2016 V.k. Bukin1, А.G. Gimadiev2

1 PSC «KUZNETSOV» 2 Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

Created in the 1980s hydrogen-fueled engine NK-88 turbopump unit rotor speed automatic control circuit linearized model is presented. The heat exchanger-gasifier system of the NK-88 engine fuel supply and control system leads to a significant lag, which is the main factor determining the system configuration. Turbo-pump unit also has a time lag, the impact of which should be considered when choosing the structure and parameters of the system. The article shows the study of fundamental solutions to select the fuel supply and control cascade system. The experimental frequency characteristics of the heat exchanger and other parts of the control loop presented. The measures to offset the impact of the heat exchanger delay on the stability of the system proposed.

Keywords: hydrogen-fueled turbine engine, cascade control system, turbopump unit, heat exchanger, testing, frequency characteristics, delay, analysis.

Valery Bukin, Leading Engineer.

Asgat Gimadiev, Doctor of Technics, Professor at the Automatic Control Systems of Power Plants Department. E-mail: [email protected]