Визначення характеристик газотурбінних двигунів та установок в експлуатаційних умовах на основі математичного моделювання - Автореферат

Газотурбінні двигуни (ГТД) та установки (ГТДТАУ) знайшли широке застосування в авіації, енергетиці, наземному та морському транспорті, а також в газовій галузі як приводи газоперекачувальних агрегатів (ГПА). В експлуатаційних умовах важливою задачею є визначення дійсних характеристик ГТДТАУ, які змінюються за різними причинами, для оцінювання їхнього технічного стану, оптимальності режимів роботи та рівня завантаження. Для досягнення цієї мети в дисертації сформульовані та вирішені наступні задачі: розроблені теоретично обґрунтовані математичні моделі турбовальних ГТД, що дозволяють визначати їхні фактичні характеристики та оцінювати технічний стан в експлуатаційних умовах ГПА; Наукова новизна роботи полягає в тому, що вперше одержані наступні наукові результати: вперше розроблені адаптивні математичні моделі турбовальних ГТД з регульованою та нерегульованою силовою турбіною, з регенерацією та без регенерації тепла для визначення їхніх експлуатаційних характеристик та оцінювання технічного стану двигуна, що відрізняються внутрішньою організацією моделі; розроблені математичні моделі газотурбінних двигунів дозволяють визначати їхні характеристики в експлуатаційних умовах для оцінювання технічного стану, рівня завантаження та оптимальності режимів роботи ГПА;Виконаний аналіз основних закономірностей будови характеристик дозволив зробити висновки, що вони мають вигляд плавних залежностей, які можна апроксимувати як сімю аналітичних функцій залежно від режиму роботи газогенератора та частоти обертання силової турбіни. Зясовано, що вибір раціональних систем координат та спрощення за рахунок цього форм подання характеристик може суттєво зменшити потрібну інформацію у моделюванні. На основі аналізу різних рівнів моделювання ГТД та потреби подання характеристик запропоновано нову структуру моделі двигуна у складі газогенератора (ГГ.) та силової турбіни (СТ). Велика увага приділяється моделюванню СТ - як вузлу ГТД, характеристики якої у значній мірі визначають зовнішню характеристику двигуна. Модель турбовального ГТД з регульованим сопловим апаратом (РСА) силової турбіни ГПА типу ГТК-10І, ГТК-25І у відносних координатах NЮE=Ne/Ne max, НЮЕ=he/he max, NЮТС=ntc/NTCNMAX має вигляд (10), (11), як і для звичайного ГТД, проте положення максимумів на характеристиках з дроселюванням двигуна визначається двома змінними: Ne max=f (ntk, a1), he max=f (ntk, a1), NTCNMAX =f (ntk, a1).Існуючі нормативні рекомендації з використання для цих цілей "базових" дросельних характеристик призводять до великих похибок. Створення методик визначення характеристик ГТД на основі математичного моделювання та експлуатаційної інформації - актуальне науково-технічне завдання, вирішення якого відповідає істотному підвищенню ефективності експлуатації двигуна за технічним станом. Модель відображує експлуатаційну характеристику двигуна як сімю парабол, де форма характеристики визначається силовою турбіною, а відносний зсув максимумів на параболах - зміною режимів роботи газогенератора по лінії робочих режимів його турбокомпресора. Для ідентифікації математичних моделей запропоноване адаптивне моделювання двигуна та його вузлів з застосуванням методів ортогонального планування експерименту, що дозволяє суттєво скоротити експлуатаційні випробування ГПА у визначені дійсних характеристик ГТД. Аналіз галузевих нормативних методик з оцінювання технічного стану газотурбінних приводів ГПА за їх характеристиками дозволив виявити основні причини великих похибок через некоректне використання для цих цілей "базових" дросельних характеристик ГТД та процедури їх екстраполяції.

Основний зміст роботи

Основною проблемою в оцінюванні технічного стану ГТД, рівня його завантаження та оптимальності режимів роботи є отримання фактичних експлуатаційних характеристик. Існуючі нормативні рекомендації з використання для цих цілей "базових" дросельних характеристик призводять до великих похибок. Створення методик визначення характеристик ГТД на основі математичного моделювання та експлуатаційної інформації - актуальне науково-технічне завдання, вирішення якого відповідає істотному підвищенню ефективності експлуатації двигуна за технічним станом.

В дисертації подані нові розвязання цього завдання, а саме: 1. Розроблено теоретично обґрунтовану математичну модель ГТД, що відрізняється структурою. Модель відображує експлуатаційну характеристику двигуна як сімю парабол, де форма характеристики визначається силовою турбіною, а відносний зсув максимумів на параболах - зміною режимів роботи газогенератора по лінії робочих режимів його турбокомпресора.

2. Для ідентифікації математичних моделей запропоноване адаптивне моделювання двигуна та його вузлів з застосуванням методів ортогонального планування експерименту, що дозволяє суттєво скоротити експлуатаційні випробування ГПА у визначені дійсних характеристик ГТД.

3. Обґрунтовано і отримано математичну модель ГТД з регульованим сопловим апаратом силової турбіни. Використання перехресної програми регулювання в ГТД з регульованою силовою турбіною ГПА типу (ГТК-10I, ГТК-25I) зменшує число змінних з 3-х до 2-х.

4. Доведено, що для отримання характеристики ГТД з регенерацією теплоти за потужністю можуть бути використані запропоновані математичні моделі звичайних ГТД, а для характеристики двигуна за ККД теоретично отримано коректувальний коефіцієнт.

5. Аналіз галузевих нормативних методик з оцінювання технічного стану газотурбінних приводів ГПА за їх характеристиками дозволив виявити основні причини великих похибок через некоректне використання для цих цілей "базових" дросельних характеристик ГТД та процедури їх екстраполяції. Запропоновано алгоритм визначення основних параметрів (Ne, Мкр) та коефіцієнта технічного стану ГТД за розробленими математичними моделями, що дозволив усунути зазначені недоліки в нормативних методиках.

6. Розроблені математичні моделі були веріфіковані на двигунах типу Д-336, ДН-80Л, НК-12СТ, GT-60I, ГТК-10I. Перевірка їх адекватності і достовірності підтвердила задовільну точність з вірогідністю Р = 0,99.

7. Дослідження існуючих методів математичного моделювання турбін і компресорів у вигляді апроксимацій характеристик показало їхню велику складність, що робить на даний час не прийнятним застосування повузлового моделювання ГТД в експлуатаційних умовах ГПА. Встановлено, що шляхом перетворення систем координат можна значно спростити таке моделювання. Запропонований спеціальний вибір систем координат і їх перетворення для подання характеристик турбомашин в системі ГТД підтверджує таку можливість.

8. Теоретично отримано залежності для розрахунку основних параметрів двигуна (витрати циклового повітря, повних тисків в перерізах проточної частини та ін.) за неповною експлуатаційною інформацією штатної системи контролю.

9. Результати досліджень впроваджені в науково-технічному центрі з діагностики "Техдіагаз" газотранспортної галузі України.

1. К определению термогазодинамических параметров в проточной части турбоустановок для их диагностирования при доводке и эксплуатации/ В.П. Герасименко, Л.П. Губский, Н.К. Рязанцев, Б.С. Сотников, Т.М. Нурмухаметов // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Збірник наукових праць. - Харків: ХАІ. - 1999. - Вип.9. - С.264-266. Здобувач виконав постановку задачі та провів аналіз штатних схем вимірювання термодинамічних параметрів ГПА.

2. Деякі заходи щодо удосконалення газотурбінних приводів газоперекачувальних агрегатів/ В.П. Герасименко, С.О. Саприкін, О.Л. Портянко, А.С. Мандра, Т.М. Нурмухаметов // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Збірник наукових праць. - Харків: ХАІ. - 2000. - Вип. 19. - С.55-58. Здобувач проводив порівняльний аналіз існуючих схем газотурбінних установок в системі ГПА та виконував оцінки оптимальних параметрів за допомогою отриманих в роботі рівнянь.

3. О преобразовании систем координат параметров для аппроксимации характеристик газовых турбин/ В.П. Герасименко, Н.К. Рязанцев, Ю.А. Анимов, Т.М. Нурмухаметов // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Збірник наукових праць. - Харків: ХАІ. - 2002. - Вип.30. - С.61-64. Здобувач виконував перетворення систем координат подання характеристик газових турбін.

4. Герасименко В.П., Нурмухаметов Т.М. Математическая модель газотурбинного привода газоперекачивающего агрегата с регулируемой силовой турбиной // Питання розвитку газової промисловості України: Зб. наук. праць. - Х.: Укрндігаз, 2002. - Вип. XXX. - С. 196-201. Здобувач отримав залежності впливу регулювання соплового апарату на характеристики газових турбін.

5. Математичне моделювання газотурбінного приводу газоперекачувального агрегату/ В.П. Герасименко, А.С. Мандра, М.В. Кучерук, Т.М. Нурмухаметов // Нафтова і газова промисловість. - 2002р. - № 4. - С.37-38. Здобувач збирав та оброблював статистичні дані ГПА, проводив аналіз та перевірку отриманих результатів.

6. Расчет характеристик ступеней компрессора на режимах вращающегося срыва/ В.П. Герасименко, Т.М. Нурмухаметов, Е.В. Осипов, М.Ю. Шелковский // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Збірник наукових праць. - Харків: ХАІ. - 2002. - Вип.34. - С.26-28. Здобувач виконував зіставлення запропонованих апроксимаційних залежностей з експериментальними результатами.

7. Герасименко В.П., Анимов Ю.А., Нурмухаметов Т.М. Аппроксимация характеристик центробежных компрессоров // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Науково-технічний журнал. - Харків: ХАІ. - 2003. - №37/2’2003. - С.65-69. Здобувач розширив статистичні дані з характеристик відцентрових компресорів природного газу та виконував досліди з уточнення апроксимаційних залежностей.

8. Математичне моделювання газотурбінного приводу газоперекачувального агрегату за його фактичним станом/ В.П. Герасименко, А.С. Мандра, М.В. Кучерук, Т.М. Нурмухаметов // Нафтова і газова промисловість. - 2004р. - № 5. - С.34-37. Здобувач виконував перевірку адекватності моделі.

9. Адаптивное математическое моделирование газотурбинного привода газоперекачивающего агрегата/ В.П. Герасименко, А.С. Мандра, Н.Б. Налесный, Т.М. Нурмухаметов // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Науково-технічний журнал. - Харків: ХАІ. - 2005. - № 2 (18). - С.49-53. Здобувач проводив дослідні розрахунки з ідентифікації адаптивних моделей та виконував моделювання двигуна типу АИ-336.

10. Нурмухаметов Т.М. Математическое моделирование газотурбинного двигателя с регулируемой силовой турбиной // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Науково-технічний журнал. - Харків: ХАІ. - 2007. - №10 (46). - С.142-144.

11. Математическое моделирование газотурбинного привода ГПА/Т.М. Нурмухаметов, А.С. Мандра, Н.В. Кучерук, В.П. Герасименко // Матеріали 8 міжнародної науково-практичної Конференції "Нафта і газ України - 2004". - Судак. - 2004. - Т.2. - С.167-168.

12. Адаптивное моделирование привода газоперекачивающего агрегата / Т.М. Нурмухаметов, Н.Б. Налесный, В.П. Герасименко // Проблеми нафтогазової промисловості: Збірник наукових праць. - Київ. - 2005. - Вип.2 - С.220-221.