CC BY
274
МАШИНОСТРОЕНИЕ • ТЕПЛОВЫЕ, ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ЭНЕРГОУСТАНОВКИ ЛА
УДК 621.452.3
И.А.КРИВОШЕЕВ, Д.А.АХМЕДЗЯНОВ, А.Е.КИШАЛОВ
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ АВИАЦИОННЫХ ГТД С ЭЛЕМЕНТАМИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Описана разработанная система имитационного моделирования DVIGwp, позволяющая моделировать, исследовать и прогнозировать различные режимы работы ГТД произвольных схем совместно с элементами их систем управления. Проведена проверка соответствия расчета и эксперимента одного из переходных процессов в современном двигателе. авиационные двигатели; имитационное моделирование; системы управления; переходные процессы
ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и энергетических установок на их базе идет по пути дальнейшего улучшения удельных показателей при одновременном ужесточении требований по надежности и ресурсу. Отличительными чертами перспективных силовых установок являются: разнообразие режимов и условий эксплуатации, близость рабочих режимов к ограничениям по прочностным, температурным и функциональным параметрам, большое число регулирующих органов. В настоящее время, в связи с созданием авиационных двигателей новых поколений, а также с повышением требований к эффективности процессов их проектирования и доводки, все больше внимания уделяется методам и средствам математического моделирования ГТД, их узлов, элементов систем управления и контроля двигателя. Использование информационных технологий в существенной мере определяет успешность создания авиационных двигателей новых поколений.
Современный газотурбинный двигатель представляет собой сложную динамическую систему с взаимосвязанным влиянием механических, газодинамических, теплофизических и физико-химических процессов, протекающих в его узлах, элементах проточной части (ПЧ), элементах систем двигателя. Функционирование двигателя происходит под воздействием внутренних и внешних возмущений, а для маневренных самолетов — с преобладанием неустановившихся режимов [1].
Усложнение задач управления, использование более совершенных и сложных алгоритмов управления, развитие электронных технологий создали предпосылки широкого внедрения методов математического моделирования для задач оптимального управления двигателем.
Опыт создания современных двигателей выявил большую роль переходных процессов в обеспечении таких важных показателей, как газодинамическая устойчивость, управляемость, диапазон и темпы изменения тяги, величина и длительность возможного превышения допустимых уровней температуры, давления газа и частоты вращения роторов. Динамические характеристики двигателей являются одними из наиболее важных факторов, которые необходимо учитывать уже на стадии проектирования при определении рабочих режимов, при распределении работ по каскадам компрессора много-вальных ГТД, при выборе законов управления и методов контроля [2].
СИСТЕМА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ АВИАЦИОННЫХ ГТД
Авторами разработана система имитационного моделирования (СИМ DVIGwp) работы авиационных ГТД (и ГТЭУ на их базе) на установившихся и неустановивших-ся режимах в термогазодинамическом аспекте [3,6,7], разработаны математические модели узлов двигателя, элементов управления (автоматики) и контроля, реализованные в
Работа выполнена в рамках выполнения гранта МД-256.2008.8 Контактная информация: (347)273-06-35
Рис. 1. Модульность построения и задание информационных потоков
СИМ DVIGwp и позволяющие моделировать, исследовать и прогнозировать различные режимы работы ГТД произвольных схем совместно с элементами их систем управления, при этом решать различные проектно-доводочные задачи [5].
Суть разработанного метода моделирования различных установившихся и неустано-вившихся режимов работы ГТД произвольных схем базируется на совокупности следующих принципов:
1) модульность построения модели расчетной схемы: представление моделируемого двигателя (установки) с системой автоматического управления и элементами контроля из связанных между собой информационными потоками модулей (рис. 1) — моделей структурных элементов (СЭ) двигателя (входное устройство, компрессор, камера сгорания, турбина, реактивное сопло, отбор воздуха, потребитель мощности и т. д.), а также элементов САУ (регуляторы, исполнительные механизмы, датчики и т. д.) — такой подход позволяет осуществлять моделирование ГТД произвольных схем и описывать их автоматику;
2) единая схема представления модулей (моделей СЭ): задание входных данных и характеристик, алгоритма расчета и получение выходных данных (рис. 2); при этом предложен оригинальный метод сетевого представления взаимосвязи параметров в виде ориентированного графа, где ребра являются пара-
метрами и функциями влияния, вершины — рекуррентными операторами, из которых состоит алгоритм СЭ;
Рис. 2. Единая схема представления модулей (СЭ)
3) выполнение законов сохранения (вещества, энергии, количества движения и т. д.) за счет задания в моделях СЭ специальных «портов» и унифицированных типов информационных потоков (газодинамического, механического и пр.), благодаря чему формируемые из моделей СЭ модели ГТД и их САУ тоже изображаются ориентированными графами;
4) независимость и возможность вариации учета в модели различных факторов: принцип позволяет вносить изменения и дополнения, связанные с необходимостью учета или уточнения новых факторов, изменять алгоритмы расчета модулей двигателя или элементов управления в зависимости от схемы двигателя, от условий и режимов работы,
Г і Закон расчета «ВП
1 Наименование закона расчета: - Задача
Закон расчёта: Приёмистость
Задачи закона:
Параметрический синтез
Параметрический анализ
Наименование задачи:
[Параметрический синтез
Тип задачи: |параметрический синтез Варьируются | Поддерживаются |
И
2. № (КВД)
3. (1© (Отбор газа)
4. Ига (КНД)
5. <31 гр (В У)
6. а1ги(Ю (Регулятор)
Левая граница: 967.11
Правая граница: 2256.59
Учёт границ: Беа учёта |
Шаг дифференцир-я: 0.5
Первое приближение: 1611.85
|7 Обновлять первое приближение
Рис. 3. Задание условий анализа в СИМ DVIGwp
от требований, предъявляемых к динамике двигателя на различных режимах, от особенностей рабочих процессов конкретных ГТД, при этом динамические свойства (функции) модели добавляются к статическим моделям независимо как дополнительные ребра и вершины в ориентированном графе и, соответственно, как дополнительные рекуррентные операторы, не изменяя ранее отлаженную и оттестированную часть алгоритма СЭ;
5) решение произвольных проектно-доводочных задач путем задания условий моделирования: для любой задачи в «законе расчета» среди параметров СЭ указываются функции цели — так называемые «поддерживаемые» параметры или комплексы (в т. ч. параметры и законы регулирования, законы изменения внешних воздействий и других условий) и варьируемые величины (константы или характеристики узлов двигателя, регуляторов, исполнительных механизмов САУ, датчиков и т.д.), за счет вариации и табуляции которых достигается выполнение функции цели (рис. 3). Выполнение законов расчета ре-
ализуется с помощью решателя (процессора СИМ) с использованием методов многокритериальной оптимизации — останов происходит, когда каждый «поддерживаемый» параметр оказывается в заданной области, с заданной для него точностью [8].
Разработанные принципы легли в основу созданной системы имитационного моделирования (СИМ) DVIGwp, структура которой показана на рис. 4.
Разработанный универсальный метод моделирования различных установившихся и неустановившихся режимов работы двигателей и их систем управления включает:
1) библиотеку моделей структурных элементов (СЭ) ГТД (входное устройство, компрессор, камера сгорания, турбина, сопло, выхлопной патрубок, смеситель, разделитель, переходный канал, пусковое устройство, форсажная камера сгорания и т. д.) и элементов систем управления (регуляторы, датчики и т. д.);
2) препроцессор — обеспечивает синтез модели (структурный и параметрический),
МОДЕЛИ СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГТД СВУ, КОМ, КС, ТУР, РС и др.) и ЭЛЕМЕНТОВ САУ (регуляторы, датчики и др.)
ПОСТПРОЦЕССОР Отображение и документирование результатов (текстовые файлы, таблицы, графики)
1>
С
ПРЕПРОЦЕССОР (Синтез)
Струк- Парамет- Задание
турный рический <- харак-
синтез синтез терис-
тик СЭ
I
Модель
ПРОЦЕССОР (Анализ)
Решатель Формирова-
СИМ ние условии
анализа
Рис. 4. Структура СИМ DVIGwp
указание термогазодинамических, механических, гидравлических и других связей (трассировка потоков), задание и редактирование параметров и характеристик СЭ, задание условий, реализующих заданную проектно-доводочную задачу (формализованное построение «закона расчета») в виде условий для задачи многовариантного, многорежимного анализа и (или) синтеза с табуляцией параметров — для решателя (процессора) СИМ;
3) процессор (решатель СИМ) — обеспечивает последовательную активизацию моделей СЭ в соответствии с матрицей инцидентности ориентированного графа (с учетом трассировки потоков - связей СЭ), управление (по аналогии с регулятором в САУ) движением имитационной моделью от начальных условий к решению в соответствии с законом расчета (за счет вариации указанных варьируемых параметров и приведения «поддерживаемых» параметров в заданные области с заданной точностью). В процессоре имеется библиотека численных методов оптимизации (обычно используется метод Ньютона, а для интегрирования — метод Эйлера или Рунге-Кутта). Для учета накладываемых границ используется метод штрафных функций;
4) постпроцессор — обеспечивает отображение и документирование результатов, в т. ч. в форматах обмена с другими приложениями;
5) архив — обеспечивает хранение библиотек моделей ГТД и характеристик СЭ;
6) редактор характеристик СЭ — обеспечивает задание, редактирование, доступ к характеристикам СЭ (элементов ГТД, их САУ) в табличном, графическом виде, задание в виде файлов и аналитических зависимостей.
СИМ DVIGwp является открытой системой и базируется на FrameWork САМСТО (рис. 5) [2,4], предназначенной для создания автономных приложений, ориентированных на моделирование различных технических объектов и систем, что дает возможность пользователю вносить добавления, изменения для решения конкретных задач, создавать новые СЭ и информационные потоки.
Синтез модели осуществляется в соответствии со схемой двигателя. Математическая модель ГТД, предложенная в работе, включает в себя описание:
характеристик регуляторов и элементов контроля (а не только узлов и других элементов ГТД);
связи между элементами двигателя, САУ и элементов контроля (механическую, гидравлическую, логическую и т. д. — с уче-
том аспекта и особенностей системы моделирования);
законов изменения управляющих воздействий (подачи топлива, управления органами механизации двигателя), внешних условий, накладываемых дополнительных условий — с учетом проектно-доводочной ситуации;
значимых динамических факторов, номенклатура которых определяется особенностью рассматриваемого переходного процесса, особенностью решаемой проектно-доводочной или эксплуатационной задачи, особенностью схемы и параметрами двигателя.
Файл Правка Проект Окно Справка
□ ^ В О » Ч
| Проект : рго¥С5-6 1 1 программе
1 Наименования типов элементов: | САМСТ Я
1 Отбор мощности
1 Регулятор Регулятор подачи топлива Редуктор
РУД + Г идрозамедлитель 1 Смеситель 1 Суммирование мощности
ш
\Текст/(Иконка ^Элементы ^Взаимосвязи /
© НИЛ САПР-Д УГАТУ 1992-2007, Уфа, Рос Ьйо://го ww.ad.uaatu.ac.ru/canncto/
Зарегистрировано для Акмвдзянов Дмитрий
ок
<1 1 И
Рис. 5. Внешний вид FrameWork САМСТО
ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОТЛАДКИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВКЛЮЧЕНИЕМ ФОРСАЖА ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПРИЕМО-СДАТОЧНЫХ ИСПЫТАНИЯХ
Также авторами разработана методика информационной технологии отладки системы управления включением форсажа двигателя с использованием СИМ DVIGwp (рис. 6) и получены результаты ее применения на практике при приемо-сдаточных испытаниях в серийном производстве. Под отладкой параметров ГТД понимается обеспечение в процессе испытаний требуемых значений его основных параметров путем целенаправленного воздействия на специально предусмотренные для этого регулировочные элементы САУ двигателя.
В системе топливной автоматики форсажного контура предусматриваются следующие функции: управление соплом; дозирование форсажного топлива в зависимости от , , ( — температура в боксе) и распре-
деление его по коллекторам; поддержание на максимальном и форсажных режимах посто-
Рис. 6. Схема взаимодействия различных систем при отладке
янного перепада давления в турбине ят (за счет изменения площади критического сечения сопла); увеличение 7гт в момент воспламенения топлива ФКС и в процессе выхода на полный форсажный режим во избежание превышения температуры за турбиной и уменьшения газодинамической устойчивости двигателя; обеспечение аварийного выключения форсажа и др.
Типичный состав топливной системы ФКС: форсажный насос, регулятор сопла и форсажа (РСФ), агрегат перестройки 7гт, распределитель форсажного топлива, воздушный фильтр-редуктор, топливные коллекторы, насос-регулятор (НР), трубопроводы и электрожгуты, комплексный регулятор двигателя (КРД).
Разработанная методика позволяет проводить предварительную отладку конкретного двигателя, сочетая его испытания на стенде с имитационным моделированием [5]. При этом по результатам испытаний идентифицируется модель ТРДДФ с его САУ, с использованием этой модели определяется необходимое изменение настроек автоматики, результаты проверяются имитационным моделированием на компьютере, затем изменение настроек выполняется на двигателе. После этого двигатель вновь может не испытываться. Од-
нако на данном этапе, в процессе отладки методики, необходимо проводить проверочные испытания для подтверждения того, что все параметры оказываются в переделах допуска.
В сформированной в СИМ имитационной модели двухвального ТРДДФ (рис. 7) присутствует СЭ «Регулятор», являющийся интегральной моделью автоматики форсажного контура.
Шесть входных «портов» для подключения входных информационных потоков связывают регулятор с элементами модели ГТД, характеристики которых необходимо регулировать. При этом по четырем входным портам передаются значения температуры, давления, расхода топлива, площади критического сечения сопла; еще два предусмотрены для механических потоков типа «МЕХ», передающих частоты вращения роторов, их ускорение и мощность. Входными (управляющими) данными для СЭ «Регулятор» являются: параметры, характеризующие положение регулировочных винтов и жиклеров (имитация реальных возможностей воздействия на автоматику двигателя), положение переключателей, угол установки РУД (имитация воздействия летчика/оператора испытательного стенда). Для настройки имитационной модели на решение конкретной проектной или
Рис. 7. Модель ТРДДФ с элементами автоматики в системе DVIGwp, где 1 — внешние условия; 2 — входное устройство; 3 — КНД; 4 — отбор газа; 5 — КВД; 6 - отбор газа 2; 7 — камера сгорания; 8 — воздуховоздушный теплообменник; 9 — отбор мощности; 10 — отбор мощности 2; 11 — отбор газа 2; 12 — ТВД; 13 — ТНД; 14 — смеситель; 15 — ФКС; 16 — РС; 17 — регулятор; 18 — общие результаты
доводочной задачи задается закон (условия) расчета.
СЭ «Регулятор» в зависимости от значения генерирует управляющие воздей-
ствия на двигатель (С?т, ^т.ф, -Рс.кр). Изменяя внутренний алгоритм СЭ «Регулятор», можно реализовывать самые разные программы управления и учитывать всевозможные ограничения.
С помощью разработанной методики (рис. 8) определяются настройки регулирующих элементов автоматики двигателя и рекомендации по отладке. Для этого данные отлаживаемого двигателя, полученные во время предшествующих испытаний, передаются в математическую модель, настроенную на двигатель со среднестатистическими параметрами. Система автоматически производит идентификацию — приводит математическую модель в соответствие с реальным объектом на режиме М (получаем индивидуальную математическую модель отлаживаемого двигателя с конкретными параметрами за каждым узлом). Автоматику форсажного контура необходимо идентифицировать по результатам нескольких переходных процессов (например, включения форсажа и выхода на режим ПФ). После идентификации проводим моделирование различных переходных режимов (М-МФ, М-ПФ, малый газ (МГ)-ПФ). В результате получаем переходные процессы, исходя из которых можно дать конкретные рекомендации по необходимым настройкам автоматики ТРДДФ. Произведя настройку автоматики математической модели (по данным рекомендациям), повторяем расчет в системе. После этого настраиваем автоматику отлаживаемого двигателя и проводим повторные испытания двигателя на стенде.
Адекватность математической модели и информативность рекомендаций можно повысить, увеличив число измеряемых параметров (например, включив в число измеряемых параметров температуру за компрессором низкого давления, степень понижения давления на каждой турбине, температуру за турбиной высокого давления и т. п.) или зная характеристики всех узлов в широком диапазоне (входного устройства, компрессоров, камеры сгорания, турбин, ФКС и сопла).
Также возможен второй способ отладки двигателя при помощи разработанной модели — сравнение протекания переходных процессов в моделях среднестатистического и отлаживаемого двигателя. Программа определяет, какие настройки автоматики надо произвести, чтобы из отлаженного по среднестатистическому полю допуска двигателя получить отлаживаемый. После регулировки -нужно повторить испытания ГТД, убедиться, что двигатель отлажен.
На рис. 9 приведены результаты расчета переходного процесса ТРДДФ. Переходный процесс: М-ПФ — 3 с, ПФ — 1 с, Пф-М — 1 с, М — 2 с, М-МФ — 2,5 с. При этом огневая дорожка срабатывала на каждое включение форсажа один раз, условия горения соблюдались.
На рис. 10 приведены результаты расчета аналогичного переходного процесса, но с измененной регулировкой автоматики — был заменен жиклер воздушной перестройки (изменение проливки с 60 до 110 см/мин агрегата РСФ — изменение величины предварительного раскрытия сопла), что привело к сужению зон (границ) воспламенения и устойчивого горения, большим скоростям потока в форсажной камере и, как следствие, к срыву пламени — нерозжигу ФКС.
Рис. 8. Методика «информационной технологии отладки» системы управления включения форсажа в ТРДДФ
Рис. 10. Результаты расчета переходного процесса ТРДДФ с увеличенной проливкой агрегата РСФ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, разработанная СИМ DVIGwp позволяет решать широкий круг проектно-доводочных задач:
термогазодинамические расчеты, идентификацию моделей, расчеты характеристик;
исследование свойств ГТД и их САУ на установившихся и неустановившихся режимах при различных внешних и внутренних воздействиях, в т. ч. нештатных ситуациях;
научно-методическое сопровождение натурных испытаний и отладки, выбор законов управления и параметров двигателя и элементов его управления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок : Учеб. / под общей ред. В. А. Сосунова, В. М. Чепкина. М.: МАИ, 2003. 688 с.
2. Проектирование авиационных газотурбинных двигателей : Учеб. / под общей ред. проф. А. М. Ахмедзянова. М. : Машиностроение, 2000. 454 с.
3. Ахмедзянов, Д. А. Моделирование совместной работы авиационных ГТД и элементов топливной автоматики на переходных режимах в компьютерной среде DVIGw / Д. А. Ах-
медзянов, Х. С. Гумеров, И. А. Кривошеев // Изв. вузов, сер. «Авиационная техника». 2002. № 1. С. 43-46.
4. Кривошеев, И. А. Методы и средства системной разработки сложных объектов на основе имитационного сетевого моделирования и технологии Мета-САПР / И. А. Кривошеев, Д. А. Ахмедзянов [и др.] // Приложение к журналу «Информационные технологии». 2005. № 4. 32 с.
5. Ахмедзянов, Д. А. Информационная технология отладки динамических процессов в авиационных ГТД при приемно-сдаточных испытаниях / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Киша-лов // Известия вузов. Авиационная техника. 2007. №3. С. 26-31.
6. Ахмедзянов, Д. А. Свид. № 2004610868. Система термогазодинамического моделирования газотурбинных двигателей на переходных режимах работы ОУЮ'№р / Д. А. Ахмедзянов, И. А. Кривошеев, Е. С. Власова. М. : Роспатент, 2004.
7. Ахмедзянов, Д. А. Термогазодинамический анализ рабочих процессов ГТД в компьютерной среде ОУЮ'№ / Д. А. Ахмедзянов, И. А. Кривошеев [и др.]. Уфа : УГАТУ, 2003. 162 с.
8. Тунаков, А. П. САПР авиационных ГТД / А. П. Тунаков, И. А. Кривошеев, Д. А. Ах-медзянов. Уфа : УГАТУ, 2005. 272 с.
ОБ АВТОРАХ
Кривошеев Игорь Александрович, проф. каф. авиац. двигателей, науч. руковод. НИЛ САПР-Д. Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1976). Д-р техн. наук по тепл. двигателям ЛА (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. автоматиз. проектирования авиац. двигателей.
Ахмедзянов Дмитрий Альбертович, проф. каф. авиац. двиг., зам. декана ФАД. Дипл. инж.-мех. (УГАТУ, 1997). Д-р техн. наук (там же, 2007). Иссл. в обл. раб. процессов в ГТД, мат. моделей слож. техн. объектов, САПР авиац. ГТД.
Кишалов Александр Евгеньевич, асп. той же каф., инж.-конст. ФГУП «НПП «Мотор». Дипл. инж.-мех. (УГАТУ, 2006). Готовит дис. в обл. автоматики и газодин. моделирования форсажных камер сгорания авиац. ГТД.
