Полный текст

Газотурбинные двигатели имеют в своем составе следующие узлы: компрессор низкого и высокого давления, вентилятор, камеру сгорания, турбины низкого и высокого давления, сопло (рис. 1). Рис. 1. Схема двухконтурного турбореактивного газотурбинного двигателя Одной из содержательных задач всегда являлся процесс обеспечения стабильности параметров работы двигателя. Особую сложность представляют режимы запуска и переходные режимы работы двигателя с учетом внешних условий (влияние атмосферных условий и режимов полета летательного аппарата). В связи с этим для регулирования и контроля двигателя применяются системы автоматического управления и контроля (САУ и К) ГТД. САУ и К (далее по тексту - САУ) - это «мозг» двигателя, она принимает важнейшие решения в управлении и следит за правильной работой двигателя. Система автоматического управления включает в себя: регулятор электронный двигателя (РЭД), блоки мониторинга, датчики и исполнительные механизмы, системы электропитания и коммутации, блок насосов. Регулятор электронный двигателя представляет собой специализированный многопроцессорный электронный вычислительный комплекс, работающий в реальном масштабе времени, который предназначен для выработки управляющих воздействий на исполнительные механизмы САУ и агрегаты двигателя на всех режимах работы двигателя, обработки входных управляющих сигналов и сигналов с датчиков. Кроме того, РЭД обеспечивает информационный обмен с системами двигателя и самолета. Основными задачами САУ являются: обеспечение подачи необходимого количества топлива в камеру сгорания, управление геометрией компрессоров, охлаждение лопаток, комплексное управление, контроль и диагностика на всех режимах работы двигателя (в том числе и на остановленном двигателе) и многое другое в соответствии с заданными программами, а также взаимодействие с системами двигателя, маршевой силовой установки и самолета [1]. В связи с этим для исключения программных и аппаратных ошибок САУ для проверки ее работоспособности в любых условиях и в любой ситуации, в том числе и нештатной, необходимо создание базы для проведения таких исследований. Основной объем экспериментальных исследований выполняется до установки САУ на двигатель. Эти исследования находятся среди важнейших этапов разработки САУ, подтверждающих правильность решений для получения требуемых характеристик систем в ожидаемых условиях эксплуатации [6]. На основании вышеизложенного появляется потребность в создании специального стенда, позволяющего проводить экспериментальные исследования САУ (стенд для испытаний электронной части управления ГТД) [11]. Проведение экспериментальных исследований на таком стенде дает возможность подтвердить работоспособность системы, сократить объем и сроки дорогостоящих испытаний двигателя, снизить риски, трудозатраты и стоимость испытаний в целом*. Данный специализированный стенд позволяет смоделировать объект (двигатель), его работу и параметры. Это осуществляется при помощи программно-аппаратного моделирования (HardWare-In-the-Loop). Главная особенность метода заключается в том, что объект управления заменяется программно-аппаратным имитатором с математической моделью [12, 13, 14]. Специальный стенд для полунатурных испытаний в своем составе должен иметь: - программно-аппаратный имитатор объекта (имитатор двигателя); - систему автоматического управления и контроля; - стендовую систему управления и мониторинга (пульт оператора). Структурная схема данного стенда представлена на рис. 2. Рис. 2. Структурная схема стенда для полунатурных испытаний систем автоматического управления и контроля Пульт оператора представляет собой систему, позволяющую осуществлять выдачу управляющих сигналов в САУ от оператора, мониторинг и регистрацию параметров двигателя (см. рис. 2). В качестве программно-аппаратного имитатора двигателя выступает промышленный контроллер, в который должно быть интегрировано программное изделие «Математическая модель двигателя». Математическая модель двигателя представляет собой модель состояний, которая, в свою очередь, состоит из трех математических моделей, описывающих основные состояния двигателя: - «Работа двигателя на этапе запуска»; - «Работа двигателя на основных режимах»; - «Двигатель в выключенном состоянии». Каждая из вышеперечисленных математических моделей представляется группой уравнений, отражающих физические процессы, протекающие в двигателе. Основная цель такой математической модели двигателя - «заменить» реальный двигатель и выдать в САУосновные параметры, такие как частоты вращения роторов низкого и высокого давлений, температура газа за турбиной, давление за компрессором в зависимости от окружающих условий, и др. Первый процесс - это запуск двигателя, его отличительная особенность в том, что работа узлов и элементов двигателя идет на нерасчетных режимах, и на пусковые свойства двигателя влияют большие группы факторов, такие как климатические условия, программы подачи топлива, регулирование геометрии проточной части двигателя, характер подведения мощности к валу двигателя от пускового устройства и др. [1]. Процесс запуска можно описать в три этапа: - раскрутка ротора двигателя стартером до определенной частоты вращения, при которой в камере сгорания может сформироваться устойчивый факел горения топлива; - подача в камеру сгорания рабочей жидкости (керосина) с одновременной подачей электрического напряжения на свечи зажигания, после чего происходит воспламенение топлива, и дальнейшая раскрутка производится совместно стартером и турбиной ротора двигателя; - отключение стартера при определенной частоте вращения ротора двигателя. Дальнейшая раскрутка до режима малого газа производится только турбиной ротора двигателя. После запуска двигателя идет его основной режим работы, который длится большую часть времени работы двигателя. Для одного и того же типа газотурбинного двигателя можно построить различные математические модели, но условно они могут быть подразделены на линейные и нелинейные [1]. Полная нелинейная математическая модель двигателя строится по точному описанию процессов в основных узлах и агрегатах двигателя. Она позволяет решать большой круг задач, таких как расчет параметров на установившихся режимах работы; воспроизведение переходных процессов приемистости при действии внешних и внутренних возмущений; прогнозирование характеристик двигателя в нештатных ситуациях и т.д. Такая модель обеспечивает высокую точность (не более 2-4 %) за счет учета вторичных факторов: изменение теплофизических свойств газа на различных режимах; отборы воздуха на охлаждение; зависимость КПД узлов двигателя от режима работы; механические потери мощности; зависимость характеристик агрегатов и т.д. Для обеспечения расчета основных параметров двигателя в качестве математической модели для основных режимов принята линеаризованная математическая модель с вычислением первых производных по частотам вращения роторов двигателя с учетом коэффициентов влияния по топливу, отборам воздуха, перепускам воздуха из-за подпорных ступеней КНД и положению ВНА компрессора. Реализация простых алгоритмов расчета динамики двигателя позволяет обеспечить требуемые надежность, оперативность и простоту эксплуатации модели при неточности в описании характеристик двигателя по сравнению с полной нелинейной математической моделью. Статические характеристики и динамические коэффициенты влияния на различных режимах в основном диапазоне работы двигателя получают с помощью серии расчетов, проведенных по полной нелинейной математической модели двигателя. Структура линейной непрерывной математической модели определена следующей системой уравнений, которая строится на основе математической статистики и корреляционного анализа [2, 3, 4 ,5, 8, 15]: (1) где F - матрица состояния или динамическая матрица; C - матрица управления; H - матрица измерения; D - матрица управления статической моделью; F0 - вектор постоянного смещения; H0 - вектор постоянного смещения статической модели; Y - вектор измерения; x(t) - вектор состояния; u(t) - вектор управления; w(t) - вектор возмущения; v(t) - вектор возмущения. Рассмотренные в случае (1) способы были применены для линейной модели ГТД. Уравнение движения для ГТД имеет вид: (2) где nнд - частота вращения ротора низкого давления, nвд - частота вращения ротора высокого давления; Рк - давление за компрессором высокого давления; Тт - температура за турбиной низкого давления; Gт - расход топлива; - расход по перепуску воздуха из-за подпорных ступеней компрессора низкого давления; - отклонение по положению ВНА компрессора; wi - шум системы, возмущения; vi - шум измерения. В модель 2 также можно включить и множество других параметров, таких как положение рычага управления двигателя, положение дозирующей иглы, температуры лопаток, параметры воздуха на входе в двигатель и другие, но они не включаются в систему, так как не влияют на управление или напрямую связаны с основными параметрами. При выключении двигателя с любого режима его работы наступает процесс самопроизвольного торможения (свободный выбег), т.е. торможения исключительно за счет внутренних сил трения в подшипниках и сопротивления о воздух вращающихся частей двигателя [1]. При работе реального двигателя его параметры передаются в виде электрических сигналов с датчиков в САУ, и в ответ САУ выдает электрические сигналы на исполнительные механизмы двигателя (рис. 3) по протоколу ARINC 429 [1, 11, 12]. Для обеспечения проведения исследований САУ на специальном стенде необходимо создание имитаторов датчиков и имитаторов исполнительных механизмов, которые будут передавать параметры двигателя в САУ в виде электрических сигналов, и принимать электрические сигналы от САУ соответственно. Рис. 3. Схема взаимодействия САУ и двигателя Разработка имитаторов датчиков и имитаторов исполнительных механизмов - одна из нетривиальных задач, которая требует полной идентификации работы имитаторов с реальными датчиками и исполнительными механизмами. На специальном стенде исследования выполняются в режиме реального времени. Данную работу можно представить в виде следующей последовательности: 1. С пульта оператора формируются входные условия в двигатель, задается управляющее воздействие для запуска двигателя. 2. Сигналы с пульта оператора поступают в САУ, где обрабатываются и в качестве управляющих воздействий передаются в имитаторы исполнительных механизмов в виде электрических сигналов. 3. Электрические сигналы с имитаторов датчиков поступают в САУ и мгновенно обрабатываются. После чего по «введённым» в САУ алгоритмам формируются управляющие электрические сигналы на исполнительные механизмы двигателя, которые поступают в имитаторы исполнительных механизмов. 4. Имитаторы исполнительных механизмов расшифровывают поступившие электрические сигналы в информационные, которые затем передают в имитатор двигателя. 5. Программно-аппаратный имитатор двигателя в соответствии с заданными условиями проводит математический расчет, и получаемые на выходе параметры двигателя (информационные сигналы) передаются в имитаторы датчиков, где в свою очередь формируются соответствующие датчикам электрические сигналы. Представленная последовательность выполняется циклично (рис. 4), пока с пульта управления не придет управляющий сигнал на останов испытаний. Все результаты отображаются и архивируются в системе мониторинга. Пульт оператора Имитаторы датчиков Программно-аппаратный имитатор двигателя Система мониторинга САУ и К Имитаторы исполнительных механизмов Электрический сигнал Информационный сигнал Информационный сигнал Электрический сигнал Информационный сигнал ARINC 429 Входные условия Рис. 4. Функциональная схема последовательности работы стенда Данный функционал требует больших ресурсов вычислительной техники и специализированного программного обеспечения. Соответствующим требованиям по аппаратной и программной части могут соответствовать такие фирмы, как NationalInstruments (США), SpeedGoat (Швейцария) и др. Выводы. Стенд для испытаний электронной части САУ ГТД позволяет определять правильность и качество работы САУ и К, характеристики систем и агрегатов на установившихся и переходных режимах работы, проводить анализ располагаемых запасов устойчивости регулирования, выполнять отработку взаимодействия отдельных контуров и агрегатов, исследовать влияние возмущений и внешних факторов, проверять работоспособность САУ при отказах, снижает риски и время дорогостоящих испытаний.

Об авторах

А. С Плешивых

Пермский национальный исследовательский политехнический университет; АО «ОДК-Авиадвигатель»

Email: arthur.p.s.1995@mail.ru

А. А Заборских

АО «ОДК-Авиадвигатель»

Email: zaborskikh@avid.ru

А. И Фатыков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет; АО «ОДК-Авиадвигатель»

Email: fatykov-ai@avid.ru

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 46

PDF (Russian) - 34

Ссылки

• Ссылки не определены.