Имитационное моделирование работы авиационных гтд с элементами систем управления

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

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. №

3.

4. Ига

5. <31 гр

6. а1ги

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

ПОСТПРОЦЕССОР Отображение и документирование результатов

1>

С

ПРЕПРОЦЕССОР

Струк- Парамет- Задание

турный рический <- харак-

синтез синтез терис-

тик СЭ

I

Модель

ПРОЦЕССОР

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.