CC BY
113
УДК 62l.454.036
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ ОТЛАДКЕ АВТОМАТИКИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ТРДДФ А.Е. Кишалов, Д.А. Ахмедзянов
Рассмотрен способ повышения эффективности процесса отладки автоматики форсажного контура при приёмосдаточных испытаниях ТРДДФ. Описывается методика отладки автоматики, приводятся некоторые примеры моделирования различных процессов, протекающих в ТРДДФ при отладке автоматики при испытаниях в серийном производстве
Ключевые слова: авиационные двигатели, форсажная камера, переходные процессы, моделирование автоматики, отладка форсажных режимов
В серийном производстве после изготовления и сборки турбореактивных двухконтурных двигателей с форсажной камерой (ТРДДФ) предусмотрена их отладка под конкретные нормированные параметры. Необходимость отладки возникает вследствие того, что каждая деталь (а, следовательно, и узел) двигателя имеет свой технологический допуск при изготовлении и свои индивидуальные характеристики, поэтому в серийном производстве наблюдается разброс основных параметров двигателя, превышающий нормы годности. Отладка авиационных газотурбинных двигателей при приёмо-сдаточных испытаниях (ПСИ) чаще всего сводится к регулировке системы автоматического управления (САУ) при испытаниях для того, чтобы их основные параметры на соответствующих режимах находились в пределах заданных норм путём целенаправленного воздействия на специально предусмотренные для этого регулировочные элементы САУ двигателя [1].
В частности, при ПСИ двигателей семейства АЛ-31Ф после отладки основного контура отлаживается автоматика форсажного контура и автоматика компрессора. При отладке двигателя в процессе ПСИ в серийном производстве затрачиваются существенные временные и энергетические ресурсы.
Процесс испытания двигателя состоит из двух групп работ: производимых на неработающем изделии (монтаж, осмотры, перемонтаж систем, демонтаж, регулировки САУ и т. п.), и связанных со сжиганием топлива.
Кишалов Александр Евгеньевич - УГАТУ, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, e-mail: kishalov@ufanet.ru Ахмедзянов Дмитрий Альбертович - УГАТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: ada@ugatu.ac.ru Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации МК-30.2011.8.
При работах, связанных со сжиганием топлива (т.е. непосредственно при испытаниях), необходимо управлять двигателем и фиксировать результаты испытаний. На ряде современных двигателестроительных предприятий на стадии газовой наработки используются различные автоматизированные системы контроля испытаний (АСКИ).
Работы, выполняемые на остановленном изделии, также должны быть максимально охвачены автоматизированным контролем, поскольку качественная подготовка двигателя к запуску - залог успешного функционирования работающего двигателя. В настоящее время в серийном производстве именно эта стадия остаётся неавтоматизированной, все настройки производятся без гарантированного попадания параметров двигателя в поле допуска. С этим связано большинство проблем и задержек при испытаниях.
Один из возможных путей повышения эффективности отладки двигателя при ПСИ - это создание имитационной модели (ИМ) двигателя и его автоматики, идентификация модели по результатам предшествующих испытаний, проведение отладки на модели и отладка двигателя по рекомендациям, выданным программой. Также немаловажным моментом является интеграция ИМ двигателя в процесс испытаний.
Объектом исследования в данной работе являлись двигатели семейства АЛ-31Ф (АЛ-31Ф, АЛ-31ФП, изделия «117С» и «117»). Как наиболее сложный, рассматривается процесс отладки автоматики форсажного контура.
В [2] подробно описывается методика моделирования двигателя совместно с его автоматикой, методика получения индивидуальной имитационной модели, методика отладки автоматики при помощи компьютерной модели.
Целью (задачей) настоящей статьи является оценка возможностей и проверка работоспособности разработанной системы имитационного
моделирования переходных процессов происходящих в двигателе и его автоматике при испытаниях в серийном производстве, оценка эффективности применения системы в серийном производстве.
Система имитационного моделирования В [2] выявлено, что одной из сложнейших проблем современных ТРД (ТРДФ и ТРДДФ, среди которых обычно используются ТРДДФсм) является проблема надёжного запуска форсажных камер сгорания (ФКС) и устойчивого выхода на форсажные режимы в различных климатических условиях на всех режимах полёта с обеспечением ряда ограничений (времени включения/выключения, забросов и колебаний параметров двигателя и т.п.). Эти ограничения обеспечиваются настройками во время отладки при ПСИ.
Для проведения расчётов и отладки переходных процессов, происходящих при включении форсажа, в Ргаше'^гк САМСТО на базе, разработанной в НИЛ САПР-Д кафедры АД УГАТУ СИМ DVIGwp авторами была создана СИМ DVIG_OTLADKA и получено свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ [3].
В целях сокращения времени отладки и удешевления ПСИ авиационных ГТД в серийном производстве разработана методика компьютеризованной отладки ТРДДФ, реализованная в СИМ DVIG_OTLADKA. Методика позволяет проводить предварительную отладку конкретного двигателя, сочетая его испытания на стенде с имитационным моделированием. При этом по результатам предшествующих испытаний создаётся индивидуальная модель ТРДДФ и его САУ. С использованием этой модели определяется необходимое изменение настроек автоматики, затем регулировки выполняются на двигателе.
В сформированной в СИМ модели двух-вального ТРДДФ (рис. 1) присутствует структурный элемент (СЭ) «Регулятор», являющийся интегральной моделью автоматики основного и форсажного контуров. Входными данными для СЭ «Регулятор» являются: параметры, характеризующие положение регулировочных винтов и проливки жиклеров (имитация реальных возможностей воздействия на автоматику двигателя); положения различных переключателей (имитация управления двигателем оператором стенда); угол установки рычага управления двигателем (РУД) (имитация воздействия оператора); параметры потока на входе в двигатель (атмосферные условия); контролируемые параметры двигателя. Выходными данными для СЭ «Ре-
гулятор» являются: регулируемые параметры двигателя (расход топлива в камере сгорания, ФКС, площадь критического сечения сопла); «внутренние» настройки автоматики (ограничения, параметры двигателя) [4].
модели ТРДДФ (АЛ-31ФП) с элементами автоматики в системе БУЮ_0ТЬАБКА, 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 мощнос-ти 2; 11 - отбор газа 2; 12 - ТВД; 13 - ТНД; 14 - смеситель; 15 - ФКС; 16 - реактивное сопло; 17 - «Регулятор»; 18 - общие результаты
СЭ «Регулятор» в зависимости от значения аРУД и параметров на входе в двигатель генерирует управляющие воздействия на двигатель: расход топлива в основной камере сгорания (ОКС) ОТ , расход топлива в ФКС Отфкс и площадь критического сечения реактивного сопла (РС) ^скр. При достижении определенных условий, например по аРУД, частотам вращения роторов икнд , Пквд , температуре газов за турбиной
тТ , СЭ «Регулятор» формирует управляющий сигнал на СЭ двигателя (выключение охлаждения турбины, противопомпажная защита, огневая дорожка и т.д.).
При изменении внешних для двигателя параметров (давление, температура окружающей среды) или при моделировании переходного процесса СЭ «Регулятор» отслеживает значения параметров, по которым происходит регулирование (пкнд , пквд , ТТ* и т.д., набор этих данных
может варьироваться в зависимости от схемы двигателя). В СЭ «Регулятор» учтены динамические характеристики датчиков (например, термопар), систем регулирования и исполнительных органов (гидроцилиндров РС, коллекторов ФКС и т.д.).
Динамические процессы в автоматике (инерционность датчиков, инерционность коллекторов, инерционность гидроцилиндров,
инерционность срабатывания и т.д.) описываются нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка (1):
кх(г) = Тк2 у(г) + Тд у (г) + у(г) , (1)
где к - коэффициент усиления, тК - колебательная постоянная времени, тд - дифференцирующая постоянная времени.
Методика отладки автоматики
С использованием разработанной СИМ БУЮ_0ТЬАБКА, способной моделировать ТРДДФ, его автоматику и процессы, происходящие в нём при различных высотноклиматических условиях, с учётом влияния, которое оказывают настройки различных регулировочных элементов на автоматику и на протекание различных переходных процессов, происходящих в двигателе, автором разработана новая методика отладки автоматики двигателя при ПСИ [3].
Регулировочные элементы автоматики можно подразделить на две группы. Первая отвечает за контролируемые параметры двигателя на установившихся режимах (например, регулировочный элемент, воздействующий на расход топлива в ОКС). Настройка регулировочных элементов данной группы затруднений при ПСИ в серийном производстве не вызывает. Большие затруднения и научный интерес вызывает вторая группа регулировочных элементов, которая влияет на переходный процесс, а на параметры установившегося режима не воздействует. Также вызывает сложность и то, что любая настройка регулировочного элемента из этой группы влияет не только на регулируемый в данный момент параметр автоматики, но и на другие параметры двигателя и переходные процессы. Дополнительно задача усложняется тем, что не все варианты настроек можно реализовать в действительности из-за существующих ограничений по максимальным значениям параметров («КНД, «КВД, ТТ*), ограничений по максимально/минимально допустимой величине про-ливок дроссельных пакетов и т.д. В зависимости от настроек регулировочных элементов данной группы в результате переходного процесса двигатель может «не выйти» на заданный режим (нерозжиг ФКС). К этой группе относятся: величина предварительного раскрытия критического сечения РС при включении форсажного режима, скорость подачи топлива, темп раскрытия створок РС и т.д. Для настройки данной группы регулировочных элементов необходимо совместно решить систему нелинейных дифференциальных уравнений, которой описывается двигатель и его автоматика.
С помощью разработанной методики определяются настройки регулировочных элементов автоматики двигателя и выдаются рекомендации по отладке. Для этого параметры отлаживаемого двигателя, полученные во время предшествующих испытаний, при помощи АСКИ предприятия передаются в ИМ двигателя со среднестатистическими параметрами. Система автоматически производит идентификацию - приводит ИМ в соответствие с реальным объектом на режимах максимал (М), полный форсаж (ПФ). Автоматику форсажного контура необходимо идентифицировать по результатам нескольких переходных процессов (например, включения форсажа и выхода на ПФ), полученных в результате испытаний. После идентификации двигателя и его автоматики проводится моделирование различных переходных режимов: М - минимальный форсаж (МФ), М - ПФ, малый газ -ПФ. В результате моделирования получаются различные установившиеся режимы и переходные процессы, исходя из которых, выдаются конкретные рекомендации по необходимым настройкам автоматики ТРДДФ (первый способ отладки). По данным рекомендациям необходимо настроить автоматику отлаживаемого двигателя и произвести повторные испытания двигателя на стенде.
Данный способ подразумевает включение модели двигателя и его автоматики в процесс ПСИ в серийном производстве, в котором отладка двигателя (с ошибками, возникающими по существующей методике) происходит сначала при помощи компьютерной модели, а затем все настройки автоматики из ИМ переносятся на двигатель.
При используемой в настоящее время в серийном производстве методике отладки двигателя, в случае неоптимальной настройки основного контура, может сложиться такая ситуация, что обычными методами автоматику форсажного контура отладить невозможно. Чтобы это определить, необходимо провести полный цикл настроек, а затем убедиться, что они не приносят положительного эффекта. При помощи системы DVIG_OTLADKA и предложенной методики отладки подобных ситуаций можно избежать и заранее (после идентификации) оценить качество отладки основного контура.
Апробация системы и разработанных методик
В данной статье приведены некоторые результаты апробации системы (некоторые результаты моделирования). В СИМ
DVIG_OTLADKA на индивидуальной модели одного из двигателей АЛ-31Ф проведёна серия
расчётов показывающих возможности системы (процесс включения форсажа и выхода на ПФ, процесс М-МФ-ПФ, процесс М-ДР-М - моделирование отключения охлаждения турбины).
Проведено моделирование переходных процессов различными динамическими характеристиками (влияние инерционности датчиков на переходный процесс).
Расчёт переходного процесса «М-МФ-ПФ»
В СИМ ВУЮ_ОТЬАБКА на индивидуальной модели одного из серийно изготавливаемых двигателей семейства АЛ-31Ф проведён расчёт переходного процесса М-МФ-ПФ, показывающий возможности расчёта процесса включения форсажа и выхода на полный форсажный режим. На рис. 2 приведены результаты расчёта данного переходного процесса (здесь и далее все графики обезразмерены), отображаемые СИМ БУЮ_ОТЬАБКА в реальном времени счёта. Двигатель в течение 1-й секунды находился на режиме М, исходном для расчёта (аРУД = 67 °).
РГВТ1 о вывода графики
I ЛКВД;^ ] Режим ПФ
«к 90 1 80 70 Р -і нд.ггт*5 \ "КНД Угол установки «КВД Режим МФ _/
Режим М ( р,% %Х™/
зкр.ї /
о ' 2 4 6 8
Рис. 2. Изменение параметров двигателя в переходном процессе М-МФ-ПФ
На 1-й секунде РУД был переведён в область форсажных режимов. На 1,3 с регулятор пТ перестроился на большее значение, критическое сечение сопла увеличилось. На 1,8-й секунде сработала система «Огневая дорожка» и произошёл розжиг пускового топлива. Так как угол установки РУД несколько выше, чем режим МФ ( аруд = 80° ), во 2-й коллектор поступает часть
топлива. Сработал канал РЧВ-1 (ограничение частоты вращения КНД) комплексного регулятора двигателя (КРД). На 2,8 с произошла обратная перестройка регулятора пТ. Автоматика основного контура вывела обороты РВД на поддерживаемое значение. До 6-й секунды двигатель работал на установившемся режиме. На 6-й секунде угол установки РУД перевели в положение соответствующее ПФ (аруд = 106°). Автоматика постепенно увеличила расход топлива в коллектора ФК, раскрыла сопло, вывела двигатель на режим ПФ. В данном расчёте программа
показала качественное, а по ряду параметров и количественное совпадение параметров модели и двигателя в переходном процессе.
Расчёт переходного процесса М-ДР-М, моделирование отключения охлаждения турбины На данном семействе двигателей предусмотрено уменьшение доли воздуха идущего на охлаждение турбины для повышения экономичности двигателя. При моделировании переходных процессов необходимо учитывать влияние уменьшения доли воздуха на охлаждение турбины на параметры и характеристики двигателя. В СИМ БУЮ_ОТЬАБКА на индивидуальной модели одного из серийно изготавливаемых двигателей семейства АЛ-31Ф проведён расчёт переходного процесса М-ДР-М. Двигатель находился на режиме М, на первой секунде расчёта, угол установки РУД был переведён в положение дроссельного режима (аруд = 60°). Автоматика отреагировала на изменение режима работы двигателя и уменьшила расход топлива в ОКС, частоты вращения роторов двигателя начали снижаться. Вместе со снижением частоты вращения двигателя, увеличилась площадь критического сечения РС («сброс» на рис. 3).
Как только все контролируемые параметры двигателя достигли значений, при которых отключается охлаждение турбины, доля воздуха, поступающая на охлаждение турбины уменьшилась (рис. 4). На пятой секунде расчёта угол установки РУД переведён в исходное положение, соответствующее режиму М (аруд = 67 °). Доля
воздуха, поступающего на охлаждение турбины увеличилась, параметры двигателя вернулись к исходным значениям (рис. 4).
Влияние инерционности датчиков на переходный процесс В модуле «Регулятор» в СИМ БУЮ_ОТЬАБКА существует возможность
учитывать при расчётах переходных процессов различные динамические характеристики автоматики, датчиков, качающих узлов, коллекторов, гидроцилиндров (ГЦ) РС. Рассмотрим влияние их динамических характеристик на протекание переходных процессов, происходящих в двигателе.
Одним из важнейших датчиков, от правильной работы которого зависит адекватное регулирование и управление двигателя, является термопара, установленная за ТНД. По показаниям данного датчика осуществляется один из законов регулирования ат = / (аРУД, Т В, Т Т) (КРД на
канале регулятора температуры газов).
11326.01
^^1099577. \ л
105 ІЄ.15<^ увелич ение частоты еля с одновре иением гшоща еского сечей \ ' В м д ІЯ \ эащенияч
^1022^9^^” / ч умены крига1 1 \ ") I
9896.70^^ Х хлаждения \ урбнны
47^ X \ "сброс" \ откг поченне ^ \ Ч "сброс", вращения одноврем нижение част двигателя с енным оты
\ \ \ охл туре ждения нны критичесь сого снчения :огша
\
\
18.532 19.130 1Э.728 20.326 20.924 21.522 22.119 22.717 23.315 23.913 24.511 В7пр
Рис. 3. Переходный процесс М-ДР-М с включением и выключением охлаждения турбины на характеристике КВД
Доля отбора Дкнд, «КВД,
воздука % %
100.
100.
012 _
99.
98,5,
0.1 38.
97.
97.
0.08. эе. 95,5
95.
94.
006.
34
92,5,
93.
0.04 _
91,
92.
0.02. 31, 89,5.
Рис. 4. Параметры двигателя при переходном процессе М-ДР-М с включением и выключением охлаждения турбины
Обычно на двигателе устанавливают восемь термопар (равномерно по окружности на корпусе смесителя). Для увеличения скорости реагирования автоматики на показания данных термопар, устанавливают блок (корректирующее звено), компенсирующий инерционность термопар (по скорости нарастания температуры, измеренной термопарой; корректор температуры - для приведения показаний температуры к соответствующим единым значениям). Автоматика двигателя (КРД) реагирует на изменение компенсированной температуры.
На рис. 5 - 7 приведено сравнение рассчитанных значений температур газа за турбиной в режиме М-ПФ, рассчитанной температуры с учётом инерционности термопары, рассчитанной температуры с учётом компенсации инерционности термопары. Показана возможность варьирования значениями постоянной времени компенсации инерционности термопары для лучшего описания процессов происходящих в двигателе (при этом различаются сами переходные процессы, т.к. управление производится по показаниям скомпенсированной температуры).
Рис. 5. Температура за турбиной в переходном процессе М-ПФ с постоянной времени компенсации инерционности термопары 0,075 с
Рис. 6. Температура за турбиной в переходном процессе М-ПФ с постоянной времени компенсации инерционности термопары 0,200 с
Ti
1J048
1J046
1J044
1J042
1J040
■ЩЗВ 1,рЗВ 1^034
О 1 2 4 5 6 7
Результаты расчета ^ с
Рис. 7. Температура за турбиной в переходном процессе М-ПФ с постоянной времени компенсации инерционности термопары 0,500 с
В результате проведённого исследования, можно сделать вывод, что СИМ
БУЮ_ОТЬАБКА способна моделировать различные переходные процессы, происходящие при включении форсажа, при отключении охлаждения турбины. Абсолютная погрешность моделирования при расчёте переходного процесса М-ПФ по температуре за турбиной составляет 5°С (с учётом инерционности термопары).
Литература
1. Ахмедзянов Д. А., Кишалов А. Е., Кривошеев И.
А. Имитационное моделирование работы авиационных ГТД с элементами систем управления // Вестник УГАТУ. -
Уфимский государственный авиационный технический университет
Уфа: УГАТУ, 2008. - т.11, №2 (29) серия ’’Машиностроение”. - С. 3-11.
2. 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.
3. Ахмедзянов, Д. А., Кишалов А. Е., Кривошеев И. А. Система имитационного моделирования ВУЮ_ОТЬАБКА // Свидетельство №2009610324 Москва, Роспатент. - 2009.
4. Ахмедзянов, Д. А., Кишалов А. Е. Информационная технология отладки динамических процессов в авиационных ГТД при приемо-сдаточных испытаниях // Известия вузов. Авиационная техника. - Казань, 2007. - №3. - С. 2631.
SIMULATION OF TRANSITION PROCESSES PROCEEDING DURING ADJUSTMENT OF AUTOMATION AT THE TIME OF GAS TURBINE ENGINE TESTING A.E. Kishalov, D.A. Ahmedzyanov
In this article increase method of process adjustment automation afterburner effectiveness during gas turbine engine acceptance testing is discussed, adjustment of automation method and some simulation examples of different processes proceeding in gas turbine engine during adjustment of automation at the time of testing in series manufacture are shown
Key words: aviation engines, afterburner, transient processes, simulation of automation, afterburner conditions adjustment
