Визначення потужності турбовальних двигунів за вимірюваними термогазодинамічними параметрами - Автореферат

Підвищення якості керування робочим процесом ГТД забезпечує розширення граничних режимів роботи (обмежень за граничними температурами, частотами обертання і навантаженнями), знижує питому витрату палива, продовжує ресурс двигуна, а також поліпшує його динамічні характеристики. Найбільш ефективним засобом вирішення цієї проблеми є застосування інформаційних технологій непрямих вимірювань, які базуються на методах оптимального оцінювання (спостереження) параметрів систем, які не вимірюються або вимірюються з недостатньою точністю, за значеннями вимірюваних параметрів. Однак стосовно ГТД методи синтезу оптимальних спостерігачів параметрів робочого процесу досліджені явно недостатньо, зокрема не розглянуті проблеми роботи спостерігачів у широкому діапазоні режимів роботи двигунів і польотних умов, що вимагає врахування не лінійності обєкту; не проаналізовані похибки оцінювання та їх джерела; стосовно крутного моменту (потужності) ТВАД ця задача не вирішувалась. Роботу виконано на кафедрі конструкції авіаційних двигунів НАУ "ХАЇ" і у ВАТ "Елемент" у 2001-2006 рр. згідно з планами ДП "Івченко-Прогрес", узгодженими з "Державною комплексною програмою розвитку авіаційної промисловості в Україні до 2010 року" (2002 р.), яка затверджена постановою Кабінету міністрів України 12.12.2001 р., а також при виконанні робіт за договорами: ? № 22-2001/121 від 15.02.2001 р., № 24-2004 від 27.01.2004 р. між ДП "Івченко-Прогрес" і ВАТ "Елемент" з розробки РДЦ-450 - електронної системи автоматичного керування і контролю вертолітного турбовального двигуна АІ-450. Поставлена мета досягається шляхом послідовного вирішення таких задач: ? на основі аналізу існуючих систем керування і моніторингу стану ГТД, а також на основі аналізу інформаційних технологій непрямих вимірів сформувати основні вимоги до спостерігача потужності турбовального двигуна, що використовує математичну модель робочого процесу та значення вимірюваних термогазодинамічних параметрів;У першому розділі розглянуто коло задач, які розвязуються у контурах керування і моніторингу ГТД шляхом використання інформаційних технологій непрямих вимірів, спрямованих на підвищення точності керування і вірогідності моніторингу стану ГТД. Низький рівень точності виміру цього параметра обумовлений конструктивними особливостями використовуваних вимірювачів крутного моменту, що задовольняють вимогам, які ставляться до штатних вимірювальних засобів ГТД (надійність, мала маса і відносно низька вартість). Зокрема, при роботі контуру обмеження потужності це може призвести до заниження або завищення потужності двигуна, а при роботі контуру синхронізації - до нерівної витрати ресурсу двигунів. Для розвязання задач моніторингу режимів роботи і технічного стану двигунів досить використовувати статичну модель, що описує їх робочий процес на усталених режимах їх роботи. Однак нині низку задач моделювання, необхідних для досягнення мети даної роботи, не вирішено: ? не розроблена динамічна модель вертолітної двигунової установки, що відбиває спільну роботу двигунів і несучого гвинта і враховує вплив крутильної пружності трансмісії;Внаслідок відсутності можливості суттєвого удосконалення штатних бортових засобів прямого вимірювання цього параметра необхідно забезпечити його визначення за вимірюваними термогазодинамічними параметрами з використанням методів спостереження, які належать до інформаційних технологій непрямих вимірювань. В умовах, коли ряд суттєвих задач формування спостерігачів параметрів робочого процесу ГТД не вирішено, визначення потужності турбовальних двигунів за вимірюваними термогазодинамічними параметрами є актуальним науковим завданням, яке відповідає потребам авіаційного двигунобудування. В дисертації запропоновано вирішення задачі спостереження (визначення методами інформаційних технологій непрямого вимірювання) крутного моменту (потужності) на валу вільної турбіни (ВТ) турбовального газотурбінного двигуна (ТВАД) за вимірюваними газодинамічними параметрами на усталених і перехідних режимах, яке містить ряд нових положень, зокрема: 1. Динамічну модель, що описує спільну роботу дводвигунової силової установки вертольота, редуктора і дворядного співвісного гвинта з урахуванням крутильної піддатливості валів і редуктора, а також виконано аналіз її частотних властивостей.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Однією з основних проблем створення систем автоматичного керування і моніторингу стану турбовальних двигунів є забезпечення точності визначення крутного моменту (потужності). Внаслідок відсутності можливості суттєвого удосконалення штатних бортових засобів прямого вимірювання цього параметра необхідно забезпечити його визначення за вимірюваними термогазодинамічними параметрами з використанням методів спостереження, які належать до інформаційних технологій непрямих вимірювань. В умовах, коли ряд суттєвих задач формування спостерігачів параметрів робочого процесу ГТД не вирішено, визначення потужності турбовальних двигунів за вимірюваними термогазодинамічними параметрами є актуальним науковим завданням, яке відповідає потребам авіаційного двигунобудування.

В дисертації запропоновано вирішення задачі спостереження (визначення методами інформаційних технологій непрямого вимірювання) крутного моменту (потужності) на валу вільної турбіни (ВТ) турбовального газотурбінного двигуна (ТВАД) за вимірюваними газодинамічними параметрами на усталених і перехідних режимах, яке містить ряд нових положень, зокрема: 1. Розроблену комплексну методику синтезу спостерігачів параметрів ГТД, яка може бути застосована на всіх стадіях проектування й експлуатації ГТД. В основу цієї методики покладено: 1.1. Динамічну модель, що описує спільну роботу дводвигунової силової установки вертольота, редуктора і дворядного співвісного гвинта з урахуванням крутильної піддатливості валів і редуктора, а також виконано аналіз її частотних властивостей.

1.2. Установлений факт про те , що зазвичай пропоновані процедури ідентифікації математичних моделей ГТД не забезпечують узгодження параметрів моделі на межах ділянок її завдання.

1.3. Процедуру ідентифікації квазілінійних динамічних моделей ГТД із забезпеченням сполучення коефіцієнтів моделі на межах ділянок її завдання, що забезпечує більш якісне моделювання перехідних режимів роботи ГТД.

1.4. Структурний аналіз джерел похибки спостерігача і запропоновано комплексну методику оцінки даної похибки аналітично і з використанням імітаційного моделювання, а також формування вимог до апріорної інформації для забезпечення заданої точності спостерігача.

2. Запропоновано оригінальну структуру САК ТВАД, в якій одночасно застосовані спостерігачі вхідних діянь (витрати палива) і керованих змінних (крутного моменту).

3. Розроблено і досліджено контур керування потужністю ТВАД у складі дводвигунової силової установки вертольота, зокрема досліджено обмеження крутного моменту на валу вільної турбіни і синхронізація потужностей. Проведено порівняльний аналіз роботи контуру керування потужністю із застосуванням спостерігача крутного моменту і без нього, результати якого свідчать про високу ефективність використання спостерігача в системах автоматичного керування та моніторингу стану ТВАД.

4. Запропоновані методи та моделі були використані при проектуванні та доведенні системи автоматичного керування турбовального двигуна АІ-450 та при обробці результатів стендових випробувань авіаційних двигунів.

1. Волков Д.И., Нерубасский В.В., Ранченко Г.С. Применение имитационного моделирования при разработке систем управления авиационными двигателями // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. - Харьков: Гос. аэрокосм. ун-т “ХАИ”, 2000. - Вып.19. Тепловые двигатели и энергоустановки. - С. 318-322.

2. Цифровое регулирование расхода топлива в системе с существенной нелинейностью типа “сухое трение” / В.И. Колесников, В.А. Седристый, Г.С. Ранченко, Н.Л. Голубев, Д.И. Волков, Е.В. Павлюк // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Зб. наук. праць. - Харків: Нац. аерокосм. ун-т “ХАІ”, 2002 - Вип. 30. Двигуни та енергоустановки. - С. 191-194.

3. Параметрическая и структурная идентификация объекта в контуре управления расходом топлива методами активного и пассивного эксперимента / В.И. Колесников, В.А. Седристый, Г.С. Ранченко, Н.Л. Голубев, Д.И. Волков // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Зб. наук. праць. - Харків: Нац. аерокосм. ун-т “ХАІ”, 2002. - Вип. 31. Двигуни та енергоустановки. - С. 228-231.

4. Волков Д.И., Голубев Н.Л., Ранченко Г.С. Электронный регулятор авиационной двигательной установки //Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. - Харьков: Гос. аэрокосм. ун-т “ХАИ”, 2000. - Вып.19. Тепловые двигатели и энергоустановки - С. 314-317.

5. Ранченко Г.С., Буряченко А.Г., Волков Д.И. Оценка погрешностей косвенных измерений при испытаниях газотурбинных двигателей // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Наук.-техн. журн. - 2003. - Вип. 41/6. - С. 160-163.

6. Волков Д.И., Епифанов С.В. Сопряжение диапазонов задания параметров квазилинейной динамической модели ГТД при ее кусочно-линейном представлении // Вестник двигателестроения: Науч.-техн. журн. - 2005. - № 2. - С. 67-71.

7. Волков Д.И., Миргород В.Ф. Формирование математической модели совместной работы двух ТВАД с редуктором и двухрядным винтом в составе двухдвигательной установки вертолета //Авиационно-космическая техника и технология: Науч.-техн. журн. - 2005. - № 10/26. - С. 154-157.

8. Волков Д.И. Исследование погрешностей определения параметров ГТД с помощью оптимального наблюдателя // Вестник двигателестроения: Науч.-техн. журн. - 2004. - С. 202-205.

9. Волков Д.И. Оптимальный наблюдатель крутящего момента вертолетного ТВАД // Авиационно-космическая техника и технология: Науч. техн. журн. - 2004. - № 8/16. - С. 131-135.

10. Электронная система управления и контроля параметров вертолетной двухдвигательной силовой установки на базе ГТД АИ-450 / Д.И. Волков, В.М Грудинкин, А.А. Разладский, В.А. Седристый // Авиадвигатели XXI века: Материалы II Междунар. науч.-техн. конф. (6-9 декабря 2005 г.): Сб. тез. - М.: ЦИАМ, 2005. - Т. 3. - С. 47-48.

11. Программно-технические комплексы для испытания ГТД: математическое, метрологическое и алгоритмическое обеспечение / А.Г. Буряченко, Д.И. Волков, С.Н. Долгий, В.В. Сироткин // Авиадвигатели XXI века: Материалы II Междунар. науч.-техн. конф. (6-9 декабря 2005 г.): Сб. тез. - М.: ЦИАМ, 2005. - Т. 3. - С. 235-237.

12. Волков Д.И. Практическая реализация оценки крутящего момента на валу ТВАД // Інтегровані компютерні технології в машинобудуванні: Тези доповідей. - Харків: Нац. аерокосм. ун-т “ХАІ”, 2004. - С. 70.

13. Бевзюк А.А., Волков Д.И. Математическое моделирование и разработка систем управления авиационными ГТД малой размерности // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: Материалы 8-го Междунар. молодежного форума (13-15 апреля 2004 г.). Ч. 2. - Харьков: Харьк. нац. ун-т радиоэлектроники, 2004. - С. 149.

14. Волков Д.И., Ранченко Г.С. Разработка программно-технического комплекса испытаний авиационных двигателей // Людина і космос: Матеріали VII Міжнар. молодіжної наук.-практ. конф. (13-15 квітня 2005 р.). - Дніпропетровськ: НЦАОМУ, 2005. - С. 186.

15. Компьютерное моделирование цифровой системы управления расходом топлива АСУ ТП испытаний авиационных двигателей / Г.С. Ранченко, В.Ф. Миргород, Д.И. Волков, А.А. Бевзюк // Современные информационные и электронные технологии: Материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. (19-23 мая 2003 г.). - Одесса: Одес. нац. політех. ун-т, 2003. - C. 146.

16. Бевзюк А.А., Волков Д.И., Ранченко Г.С. Управление положением дозирующего элемента подачи топлива с широтно-импульсной модуляцией управляющего тока // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: Материалы VII Междунар. молодежного форума (22-24 апреля 2003 г.) - Харьков: Харьк. нац. ун-т радиоэлектроники, 2003. - С. 213.

17. Бевзюк А.А., Волков Д.И., Ранченко Г.С. Разработка электронного цифрового регулятора и исследование системы управления расходом топлива // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: Материалы VII Междунар. молодежного форума (22-24 апреля 2003 г.) - Харьков: Харьк. нац. ун-т радиоэлектроники, 2003. - С. 214.