Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные задачи и алгоритм формирования системы 11
1.1. Объект исследования и его особенности 11
1.2. Подсистема регулирования температуры рабочего тела 16
1.3. Подсистема регулирования давления 19
1.4. Алгоритм формирования системы регулирования параметров газа 22
1.5. Заключение по разделу 30
Глава 2. Формирование подсистемы регулирования температуры газообразного топлива 33
2.1. Предварительные замечания 33
2.2. Анализ функциональных схем построения подсистем регулирования температуры газообразного топлива 35
2.3. Энергетический расчет параметров подсистемы регулирования температуры топлива 42
2.4. Методика расчета основных параметров теплообменного аппарата 48
2.5. Динамическая модель теплообменного аппарата 62
2.6. Формирование замкнутого контура регулирования температуры топлива 68
2.7. Заключение по разделу 73
Глава 3. Формирование подсистемы регулирования давления 75
3.1. Предварительные замечания 75
3.2. Математические модели функционирования подсистемы регулирования давления 78
3.3. Методика расчета и анализ статической характеристики трехступенчатой подсистемы регулирования давления 92
3.4. Анализ устойчивости подсистемы регулирования давления; методика обеспечения устойчивости при формировании подсистемы. 99
3.5. Анализ влияния подвижности основания на функционирование подсистемы регулирования давления 111
3.6. Экспериментальные исследования функционирования трехступенчатой системы регулирования давления 129
3.7. Заключение по разделу 139
Заключение 142
Список литературы 144
Приложение 149
- Объект исследования и его особенности
- Подсистема регулирования температуры рабочего тела
- Предварительные замечания
- Математические модели функционирования подсистемы регулирования давления
Введение к работе
Анализ энергетики промышленно развитых стран показывает, что в топливно-энергетическом комплексе на современном этапе все большее значение в качестве энергоносителя приобретает природный газ. Это определяется рядом факторов:
- большими разведанными запасами природного газа, которые на два порядка превышают разведанные запасы нефти;
- более простой технологией добычи и переработки природного газа, а, следовательно, более низкой его стоимостью по сравнению с продуктами нефтепереработки;
- большей экологической безопасностью энергоустановок, работающих на природном газе.
Поэтому многие государства мира, включая Россию, стремятся целенаправленно перестроить структуру топливно-энергетического баланса, снижая долю нефти и заменяя ее газом. К этому следует добавить, что Россия обладает 40 % мировых запасов природного метана.
Одним из важных направлений использования природного газа является его применение в качестве моторного топлива транспортных средств. Газобаллонные автомобили в настоящее время распространены достаточно широко, и их число в мире постоянно увеличивается. Весьма перспективным представляется использование природного метана в качестве моторного топлива газотепловозов. Замена на транспорте жидкого топлива природным газом целесообразно как с технико-экономической, так и с экологической точки зрения. Например, замена одного маневрового дизельного тепловоза газотепловозом позволяет сэкономить в год около 70 тонн дефицитного дизельного топлива, которое замещается значительно более дешевым природным метаном. При этом значительно улучшается экологическая обстановка в районе эксплуатации газотепловоза, поскольку выбросы токсичных веществ по окислам углерода при применении природного газа уменьшаются в 1,4 раза, а по окислам азота в 2,5 раза.
Запас газообразного топлива располагается на транспортном средстве в газобаллонном источнике под высоким давлением. По мере расходования топлива давление, а также температура газа в источнике уменьшается. На вход энергетической установки должен быть подан газ определенных величин давления и температуры. Подача топлива от газобаллонного источника к энергетической установке транспортного средства осуществляется через систему газоснабжения. Такая система может иметь весьма развитую структуру и включать значительное число элементов газовой арматуры.
Достаточно сложной является система газоснабжения энергетической установки газотепловоза, которая по сути является многоступенчатой системой регулирования давления и температуры газа. Весьма своеобразной является последняя ступень регулирования давления, которая обеспечивает управление расходом газового метана, питающего энергоустановку в соответствии с ее энергетическими потребностями.
Одним из наиболее ответственных этапов разработки является начальное формирование системы, когда необходимо обоснованно выбрать структуру всей системы, сформулировать требования к ее подсистемам, рассчитать основные параметры ее элементов. Успешное выполнение данного этапа во многом определяет высокое качество создаваемого объекта, сокращает сроки его разработки. Представляемые в настоящей работе результаты исследований направлены на повышение качества реализации этапа начального формирования системы регулирования параметров газообразного топлива, питающего энергоустановку газотепловоза.
Объектом исследования настоящей диссертации является система регулирования давления и температуры газообразного топлива, питающего энергетическую установку газотепловоза. К настоящему времени опыт разработки таких устройств является ограниченным, фактически не существует отработанной системы их синтеза, отсутствуют рекомендации по формированию их структуры, не разработаны методы расчета, обеспечивающие выбор конструктивных парамет -6 ров в соответствии с требованиями технического задания, незначителен опыт экспериментальной отработки этих систем.
Актуальность работы определяется экономической и экологической целесообразностью внедрения в технику железнодорожного транспорта газотепловозов, работающих на природном метане.
Целью исследования является создание системы начального формирования объекта исследования, которая обеспечит обоснованный выбор структуры построения объекта и расчет основных его параметров в соответствии с требованиями к его техническим характеристикам.
Возможности заимствования опыта разработки систем газоснабжения для других областей техники ограничены, поскольку объект исследования достаточно своеобразен. Назовем несколько наиболее характерных особенностей рассматриваемой системы:
1) система реализует одновременное регулирование давления и температуры газа;
2) регулирование давления и температуры является многоступенчатым и многоконтурным;
3) в системе предусмотрено управление расходом потребляемого газа;
4) диапазон изменения давления и температуры газа в газобаллонном источнике весьма широк (25,0-И,5 МПа, 223-К323 К);
5) система функционирует на подвижном основании в условиях действия механических перегрузок.
Разработка методик выбора структуры и расчета параметров объекта исследования с учетом всех названных особенностей его устройства и условий эксплуатации составляет новую научную задачу, имеющую важное практическое значение.
Для достижения поставленной в работе цели необходимо решение следующих задач:
- на основе анализа особенностей объекта исследования и условий эксплуатации сформулировать основные задачи его формирования;
- определить последовательность выполнения задач формирования объекта, создав таким образом алгоритм данного этапа разработки;
- построить математические модели, обеспечивающие решение отдельных задач анализа характеристик и выбора параметров объекта;
- разработать методики реализации процедур синтеза объекта;
- создать методики экспериментальных исследований и провести эксперименты по выявлению практической приемлемости разработанных методик анализа и синтеза элементов системы.
Предмет исследования, в соответствии с поставленной целью работы, составляют методики анализа и синтеза системы регулирования параметров газа, питающей энергетическую установку газотепловоза, математические модели, отражающие функционирование системы в различных условиях эксплуатации, статические и динамические характеристики подсистем объекта исследования, алгоритмы и программные средства, обеспечивающие решение задач синтеза объекта.
Решение задач, поставленных в диссертации, основывается на теории систем пневмогазоавтоматики, построенной трудами многих отечественных и зарубежных авторов. Назовем здесь лишь те работы, которые в наибольшей мере явились теоретической базой настоящей работы.
Методы построения математических моделей устройств пневмогазоавтоматики, методики анализа их характеристик даются в работах Е. В. Герц, Г. В. Крейнина [16], Б. М. Подчуфарова [31, 32], Ю. Б. Подчуфарова [33], В. В. Саяпи-на [43], В. А. Чащина [49,36] и др. При построении математического описания процессов в теплообменных аппаратах использовались модели, разработанные в теории теплопередачи и представленные в известных учебных изданиях [22, 28], а также в работах Г. А. Дрейцера и В. А. Кузьминова [18]. Методы проектирования систем газоавтоматики и их элементов представлены в работах Ю. Л. Арзуманова, Е. М. Халатова и др. [1, 2].
Для решения задач настоящей диссертации потребовалось достижения теории устройств газоавтоматики применить к новому техническому объекту, доработать модели и методы, которая дает эта теория, в соответствии с названными выше особенностями объекта исследования, построить новые методики анализа и синтеза.
Научная новизна диссертации состоит в следующем: построена методика выбора структуры и расчета основных параметров многоступенчатой системы регулирования давления и температуры природного газа, обеспечивающей газоснабжение энергоустановки газотепловоза, предложен алгоритм формирования объекта, построены математические модели, учитывающие особенности объекта исследования, разработаны методики реализации процедур синтеза объекта, выявлены особенности характеристик объекта исследования, которые следует учитывать при его разработке.
На защиту выносятся следующие результаты:
- алгоритм формирования объекта исследования;
- методика выбора структуры системы регулирования давления и температуры;
- методика расчета параметров подсистемы регулирования температуры, результаты сравнительного анализа различных схем реализации этой подсистемы;
- методика и результаты анализа характеристик, методика выбора параметров многоступенчатой подсистемы регулирования давления газа;
- методика анализа погрешностей многоступенчатой системы регулирования давления, связанные с динамическими перегрузками при движении газотепловоза.
Обоснованность и достоверность научных результатов определяется:
- использованием при построении математических моделей и методов исследования фундаментальных физических законов, а также основных положений теории пневмоавтоматических систем;
- соответствием результатов разработки систем регулирования давления и температуры газообразного топлива на основе предложенного подхода результатам эксперимента и опытной отработки;
- положительным опытом внедрения разработанных систем регулирования параметров газа в систему газоснабжения газотепловоза.
Практическая полезность работы состоит в повышении качества проектирования систем газоснабжения газотепловозов, улучшении характеристик вновь создаваемых систем, сокращении сроков их разработки.
Разработанные методики анализа и синтеза систем регулирования параметров природного газа, а также полученные в ходе разработки новые технические решения внедрены в процессе создания системы газоснабжения, обеспечивающей подачу природного газа в энергоустановку газотепловоза ТЭМ18Г-001.
Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции "Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке" (г. Санкт-Петербург, 2003 г.), на III международной научно-технической конференции "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика" (г. Санкт-Петербург, 2005 г.), на научно-технических конференциях Тульского государственного университета (2003-2005 г.г.), на научно-технических конференциях в Ковровской государственной технологической академии (2003-2005 г.г.). По теме диссертации опубликованы 6 научных работ, выпущены 2 научно-технических отчета.
Диссертация содержит три главы.
В первой главе с учетом особенностей объекта исследования сформулированы основные задачи его формирования, определен порядок их решения и, таким образом, построен алгоритм синтеза системы на начальном этапе разработки, предложена методика выбора структуры объекта.
Во второй главе построена методика формирования подсистемы регулирования температуры газообразного топлива. Проведен анализ функциональных возможностей двух различных схем построения данной подсистемы. Построены математические модели, отражающие характеристики основных элементов подсистемы, даны методики расчета характеристик и выбора параметров подсистемы.
В третьей главе построена методика расчета характеристик подсистемы регулирования давления, имеющей многоступенчатую, характерную для рассматриваемого объекта, структуру. Даны математические модели и методики, позволяющие оценивать точность и устойчивость рабочих режимов подсистемы, выбирать конструктивные параметры в соответствии с техническими требованиями по точности и устойчивости, учитывать влияние динамических перегрузок, связанных с движением транспортного средства. Представлены результаты экспериментальных исследований, подтвердивших возможность принятия ряда упрощающих допущений при построении моделей и формировании расчетных методик.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации.
Объект исследования и его особенности
Рассмотрим особенности условий эксплуатации и соответствующие конструктивные особенности объекта исследования, которым является система газоснабжения энергоустановки газотепловоза.
Для питания энергоустановки на ее вход должен подаваться газ определенных температуры и давления. Мощность, развиваемая энергоустановкой, определяется расходом газа. Система газоснабжения предусматривает управление величиной расхода. В известных системах изменение расхода газа, питающего энергоустановку, осуществляется за счет изменения величины давления газа на ее входе. При этом температура газа, значение которой также влияет на величину расхода, должна оставаться неизменной.
Газ, питающий энергетическую установку, запасается на газотепловозе в баллонах под высоким (20 МПа) давлением. По мере расходования газа давление в баллонах падает, уменьшается и температура газа. Диапазон внешних температур, в которых эксплуатируется система, достаточно велик (-50-И-60 С). В связи со сказанным, диапазон давлений и температур газа, подаваемых из газобаллонного источника на вход системы газоснабжения, весьма широк. В этих условиях система газоснабжения должна обеспечить подачу на вход потребителя рабочего тела с температурой и давлением, поддерживаемых на заданных уровнях с заданной точностью. При этом уровень давления топлива, подаваемый к энергоустановке, может изменяться органами управления газотепловоза.
Таким образом, важной особенностью рассматриваемой системы газоснабжения является наличие независимого регулирования давления и температуры, а также управления величиной выходного давления в соответствии с внешними управляющими воздействиями.
Рассмотрим далее особенности двух взаимосвязанных подсистем, обеспечивающих регулирование давления и температуры газообразного топлива. Отметим, что при низких температурах рабочего тела могут создаваться факторы, негативно влияющие на эксплуатационные характеристики системы. Эти факторы связаны с возможным наличием в составе рабочего тела водяных паров. Технологическая система подготовки топлива и его заправки в газобаллонный источник должна не допускать присутствия водяных паров в газе. Однако полностью исключить такую возможность нельзя. Вода или водяные пары могут попадать в систему при регламентных испытаниях элементов, при проведении замены отдельных блоков или других ремонтных работ. При высоком давлении и низкой температуре водяной пар конденсируется и выпадает в виде твердой фазы, что может нарушить нормальную работу элементов арматуры. Кроме того, при низкой температуре (для метана при температуре ниже -21 С) вода с метаном могут образовывать твердые кристаллогидраты (NH4x7(H20)) [44].
Подогревая газ, можно ослабить влияние или вовсе предотвратить возможность появления названных факторов. При этом достаточно высокий уровень температуры газа следует поддерживать по всей магистрали системы газоснабжения. Вместе с тем следует отметить, что интегральный дроссель-эффект для метана отрицательный и довольно значителен. При дросселировании газа в системе регулирования давления одновременно с понижением давления уменьшается и температура газа. Так, например, если при дросселировании давление метана уменьшается с 20 МПа до 0,5 МПа, то при начальной температуре 300 К температура газа после дросселирования составит 220 К. Заметим также, что в критических сечениях клапанных пар редукторов давления, где скорость газа обычно равна местной скорости звука, температура метана в потоке составляет 0,87 от температуры торможения. Примем во внимание, что подогрев газа до высоких температур нежелателен. При высоких температурах рабочего тела уменьшается рабочий ресурс уплотнений в элементах арматуры, а кроме того такой нагрев ухудшает условия безопасности эксплуатации системы. С тем, чтобы поддерживать достаточно высокий уровень температуры на протяжении всей магистрали газоснабжения, целесообразно иметь многоступенчатые подсистемы как регулирования давления, так и регулирования температуры.
Таким образом, еще одной существенной особенностью рассматриваемой системы газоснабжения является многоступенчатость ее подсистем, подсистемы регулирования давления и подсистемы регулирования температуры.
Подогрев газа осуществляется в теплообменных аппаратах (ТА), где теплоносителем является вода или тосол из системы охлаждения энергоустановки. Такой подогрев топлива является по сути утилизацией энергии и в некоторой мере позволяет экономить газ. Эта экономия при эксплуатации в условиях низких температур окружающей среды может составлять около 1 %.
На рис. 1.1 и 1.2 представлены два варианта схемы системы газоснабжения энергоустановки газотепловоза. Для определения давления сжатого природного газа в баллонах 2 применены манометры 6. Давление после первой и второй ступени редуцирования измеряется манометрами, установленными на редукторе II ступени понижения давления 18. Давление газа на входе в газодизель контролируется индикатором давления 24, который имеет приемник давления, установленный в газовом трубопроводе после регулятора III ступени понижения давления 23, а указатель давления на дополнительном пульте управления в кабине машиниста.
Давление газа в системе газоподачи контролируется датчиками-реле давления (сигнализаторами): остаточного давления 21; повышения давления 26, понижения давления 27, которые прекращают работу газодизеля на газожидкостной смеси при выработке газа из баллонов, а также повышения или понижения давления газа на входе в газодизель относительно заданных величин и подают сигнал на перевод работы газодизеля на дизельное топливо.
Для защиты баллонов 2 от превышения рабочего давления, в системе газоподачи применяется предохранительный клапан 1, который снижает излишнее давление путем выброса газа на "свечу" в атмосферу.
Как следует из рассмотрения данной системы газоснабжения тепловоза, она содержит 3-х ступенчатую систему регулирования давления газа, которая осуще-ствляет падение давления в линии подачи газа по схеме: 200 кг/см - 46-60 кг/см - 16 кг/см - 0,5-г7 кг/см , а также систему регулирования температуры газа, включающую две ступени регулирования, одна из которых двухсекционная.
Подсистема регулирования температуры рабочего тела
Регулирование температуры газа в системе газоснабжения реализуется несколькими относительно независимыми системами, каждая из которых имеет замкнутый контур регулирования. Каждая система работает в условиях, когда расход газа и его температура на входе в теплообменник изменяются в известных пределах, при этом система должна обеспечивать поддержание температуры газообразного топлива на заданном уровне с заданной точностью.
Подогрев газа осуществляется в теплообменных аппаратах, построенных по принципиальной схеме "труба в трубе" со встречным движением теплоносителя (воды или тосола) и подогреваемого газообразного топлива (метана). Конструкция ТА, нашедшая применение в опытном образце газотепловоза, представлена нарис. 1.3.
В данном ТА подогреваемый газ протекает по четырем спиральным трубопроводам, которые обтекаются теплоносителем. Основная масса теплоносителя движется по зазорам вдоль спиральных трубопроводов. Наружный кожух теплообменника (рис. 1.3 поз. 2) может быть теплоизолирован. Такая конструкция ТА не является единственно возможной. С точки зрения удобства технического обслуживания целесообразно использовать в системе однотипные ТА. В случае, если эффективность одного ТА оказывается недостаточно, можно использовать на одной ступени регулирования температуры более одного теплообменника.
Возможны два принципиально различных способа регулирования температуры подогрева топлива в ТА. Первый способ реализуется за счет изменения расхода теплоносителя, второй за счет изменения температуры теплоносителя. В первом случае система регулирования имеет замкнутый контур с обратной связью по температуре топлива, которая замеряется датчиком температуры и сравнивается с сигналом задающего устройства. Усиленный сигнал рассогласования приводит в действие устройство, измеряющее расход теплоносителя через ТА. Такое устройство представляет из себя переливной клапан, управляемый поляризованным электромеханическим преобразователем. Влияние возмущающих воздействий, которыми в системе являются изменение расхода и температуры подогреваемого газа, парируется изменением расхода теплоносителя. Достоинствами такого способа являются высокая точность поддержания температуры газа на выходе ТА и возможность утилизации тепловой энергии, которая получается от теплоносителя, охлаждающего энергоустановку.
Второй способ состоит в регулировании температуры теплоносителя, который поступает в ТА из термостатированного источника. Температура в термостате поддерживается постоянной вне зависимости от расхода тепловой энергии в теплообменниках, отработанный теплоноситель из которых поступает обратно в термостат. Подогрев теплоносителя осуществляется электрическими термонагревательными элементами. Для поддержания температуры в источнике на постоянном уровне формируется замкнутый контур регулирования с обратной связью по температуре теплоносителя в термостате. Уровень температуры, поддерживае -19-мый в термостатированном источнике может быть различным в зависимости от условий эксплуатации системы.
Второй способ по сравнению с первым не может обеспечивать высокой точности поддержания температуры топлива, а кроме того требует дополнительного расхода энергии на поддержание температуры теплоносителя в термостате. Достоинством второго способа является простота технической реализации. Более подробно эти системы подогрева топлива будут рассмотрены во 2-м разделе работы.
В дальнейшем в качестве основного варианта будем рассматривать систему регулирования температуры, построенную по первому способу. В процессе разработки каждой ступени такой системы необходимо решить следующие задачи:
- определить необходимый диапазон изменения расхода теплоносителя, при котором может быть обеспечена стабилизация температуры газа Т при заданных величинах изменения температуры АТвх и расхода AG;
- сформулировать требования к характеристикам переливного клапана, и на этой основе либо выбрать этот элемент, либо спроектировать его заново;
- рассчитать параметры теплообменного аппарата, обеспечивающие необходимую передачу тепла от теплоносителя к газу; - рассчитать коэффициент усиления усилителя, при котором достигается заданная точность поддержания температуры газа Т; - обеспечить устойчивость системы регулирования температуры.
Подсистема регулирования давления включает две или три ступени редуцирования давления газообразного топлива (метана). Последняя ступень в этом каскаде регуляторов выполнена по схеме агрегатного редуктора. Управление давлением топлива в этом редукторе осуществляется с помощью регулятора управляющего давления сжатого воздуха. Таким образом, в подсистему регулирования давления входят три или четыре взаимосвязанные системы регулирования давления газа, две или три из которых на метане, а одна, малорасходная, на сжатом
-20-воздухе. Между этими системами существуют глубокие динамические связи, которые влияют и на статическую точность регулирования выходного давления метана и, в особенности, на устойчивость установившихся рабочих режимов функционирования. Разбить при анализе и проектировании эту подсистему на отдельные независимые устройства затруднительно. Это обстоятельство существенно усложняет задачу разработки данной подсистемы. Дополнительные сложности создаются и за счет наличия системы подогрева газа, наличие которого необходимо учитывать при решении задач проектирования подсистемы регулирования давления.
Рассматриваемая подсистема регулирования давления имеет достаточно сложную и своеобразную структуру, существенно отличающую ее от систем регулирования давления в известных устройствах газоавтоматики. Также сложны и своеобразны некоторые из ее элементов и, прежде всего, редуктор давления последней ступени регулирования давления метана. Конструкция такого редуктора представлена на рис. 1.4, а на рис. 1.5 дана схема, поясняющая принцип действия данного редуктора.
При разработке подсистемы регулирования давления необходимо решить следующие задачи: - при заданной структуре системы определить коэффициенты редуцирования каждой ступени регулирования давления; - сформировать требования к редуктору каждой ступени и на этой основе выбрать или спроектировать заново эти элементы; - обеспечить устойчивость системы регулирования давления.
Предварительные замечания
Система газоснабжения топливом энергетической установки газотепловоза является сложной динамической системой, одной из подсистем которой является подсистема регулирования температуры топлива. Между подсистемами регулирования температуры и давления существуют внутренние связи, которые впрочем не являются определяющими. Поэтому на определенных этапах разработки эти подсистемы рассматриваются как независимые, а погрешности расчетов, связанные с неучетом их взаимного влияния, выявляются и устраняются на этапе математического моделирования функционирования всей системы газоснабжения.
В настоящей главе будут представлены методики решения задач анализа характеристик и расчета параметров подсистемы регулирования температуры топлива. Эти методики строятся на основе математических моделей функционирования объекта расчетов. Синтез подсистемы регулирования температуры включает ряд этапов, на каждом из которых решаются различные задачи. Требования к точности воспроизведения свойств объекта математическими моделями на каждом этапе различны, а потому на различных этапах объект расчета представляется различными моделями, составляющими некоторую систему. Заметим в то же время, что каждая из этих моделей должна быть построена таким образом, чтобы при необходимости можно было бы включить эту модель в модель функционирования всей системы газоснабжения.
Состав системы математических моделей, обеспечивающих решение задач анализа и синтеза объекта разработки, определяется его особенностями и принятой логической схемой его формирования. Как отмечалось в предыдущем разделе, возможны два варианта принципиальной схемы построения подсистемы регулирования температуры топлива. Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки, и в зависимости от особенностей общей задачи проектирования транспортного средства может быть использован как один, так и другой вариант [7]. Поэтому представляет практический интерес разработка математических моделей и методик реализации расчетных процедур для каждого из этих вариантов.
Выявить совокупность задач, подлежащих решению, для каждого варианта построения рассматриваемого объекта и сформулировать требования к математическим моделям, воспроизводящим свойства объекта, при решении каждой задачи можно на основе анализа функциональных особенностей каждой схемы построения объекта. Естественно, что эта совокупность задач, а также системы математических моделей, обеспечивающих их решения, для каждого варианта системы будут несколько отличаться.
Достоинства и недостатки каждого из рассматриваемых вариантов подсистемы регулирования температуры в общих чертах легко просматриваются. Однако количественная оценка возможностей каждой схемы может быть дана лишь после того, как будут построены математические модели функционирования, и определены методы анализа характеристик и расчета конструктивных параметров каждой из разновидностей подсистемы. Такая оценка имеет практический интерес и является особенно важной при выборе варианта построения подсистемы регулирования температуры.
Таким образом, основными задачами настоящего раздела являются: - анализ двух вариантов функциональных схем построения подсистемы регулирования температуры топлива; - выявление основных задач анализа и синтеза применительно к двум вариантам функциональных схем; - построение математических моделей и методик расчета характеристик и выбора основных параметров для двух вариантов функциональных схем; - проведение сравнительной оценки возможностей двух схем построения системы регулирования температуры топлива.
В первом варианте схемы подогрев топлива осуществляется за счет утилизации тепла конструкции энергоустановки, и вся система регулируемого подогрева входит непосредственно в систему охлаждения энергоустановки. Охлаждающая энергоустановку жидкость с помощью насоса (Н) подается к системе охлаждающих каналов энергоустановки и далее, нагревается до температуры Тш, поступает в качестве теплоносителя в теплообменный аппарат. Регулирование расхода ( теплоносителя в ТА осуществляется с помощью двух переливных клапанов ПК-1 и ПК-2. Клапан ПК-1 является по сути регулятором давления. Он поддерживает постоянным, разумеется с некоторой ошибкой регулирования, давление "перед собой". Величина этого давления устанавливается соответствующей настройкой переливного клапана за счет изменения величины поджатия его пружины. Клапан КП-2 конструктивно отличается от ПК-1 наличием электромеханического управления. Так же, как и ПК-1 в этом канале предусмотрена регулировка начального поджатия пружины. Эта регулировка при отсутствии сигнала управления на электромагните производится таким образом, чтобы в номинальном, наиболее характерном режиме при работающем ПК-1 через ТА протекал теплоноситель с заданным для этого режима расходом.
Система регулирования температуры топлива имеет замкнутый контур с обратной связью по температуре топлива. Эта температура замеряется и сравнивается с требуемой. Потребное значение температуры задается напряжением UBX-Усилитель (У) выделяет сигнал рассогласования, усиливает его по напряжению и по мощности и приводит в действие поляризованный электромагнит (ЭМ). Создаваемый электромагнитный момент, воздействуя на запорный элемент клапана ПК-2, приводит к увеличению или уменьшению расхода GTH, за счет чего ошибка рассогласования по температуре топлива уменьшается. При изменении проходного сечения в ПК-2 изменяется гидравлическое сопротивление теплообменного аппарата и клапан ПК-1, стремясь стабилизировать давление "перед собой", уменьшает или увеличивает расход жидкости GTH
Жидкость из ТА с расходом G m и та часть жидкости, что сбрасывается через ПК-1 с расходом Ст, подаются в радиатор охлаждения, где довершается процесс охлаждения теплоносителя.
На схеме показана лишь одна ступень регулирования температуры топлива. Как отмечалось ранее, таких ступеней может быть две, три и даже более. Тепло-обменные аппараты всех этих ступеней вместе со своими управляющими переливными клапанами подключаются параллельно ТА, показанному на схеме на рис. 2.1. Заметим, что в этой системе каждая ступень подогрева может быть настроена на разный уровень температуры, максимальная величина которого впрочем ограничена в связи с ограниченностью температуры теплоносителя на выходе из каналов охлаждения энергоустановки.
Математические модели функционирования подсистемы регулирования давления
В настоящем и последующем подразделах будет построена система математических моделей функционирования для решения задачи об устойчивости подсистемы регулирования давления. При построении исходной нелинейной математической модели примем допущения, соответствующие тем особенностям самой подсистемы и специфике решаемой задачи, о которых говорилось в предыдущем подразделе.
Будем полагать, что топливо в подсистему поступает из газобаллонного источника большой емкости. Скорость изменения давления рб и температуры Те газа в источнике пренебрежимо мала. Топливо из системы поступает к потребителю через условный дроссель площадью M S„mp- Течение через этот дроссель критическое.
На управляющий редуктор подается сжатый воздух из газобаллонного источника, давление pi и температура Ґб в котором также можно считать постоянными. Сжатый воздух, давление рд которого стабилизировано управляющим ре-Q дуктором, поступает в управляющую полость редуктора оконечной ступени и да лее истекает в атмосферу через дренажный дроссель площадью n-Sdp. Режим течения через этот дроссель критический.
Газ в канале топлива и сжатый воздух управляющего редуктора подчиняются уравнению состояния Клапейрона.
Будем игнорировать наличие внешнего подогрева топлива, а также пренебрегать влиянием теплообмена между рабочим телом и стенками конструкции.
Полагаем, что гидравлические сопротивления трубопроводов между ступенями редуцирования, включая сопротивления каналов топлива ТА, пренебрежимо малы, а скорость течения газа в них незначительна. Параметры газа в этих элементах равны параметрам газа в полостях низкого давления соответствующих редукторов. Давление в управляющей полости редуктора оконечной ступени равно давлению р4 в полости низкого давления управляющего редуктора.
При построении математических моделей в настоящем подразделе не будем учитывать подвижность основания, на котором установлены редукторы. Крепление редукторов к основанию жесткое. Не будем учитывать ограничений перемещения подвижных элементов в редукторах и возможных рассоединений этих элементов в процессе функционирования.
Площади дросселирующих сечений в клапанных парах редукторов пропорциональны перемещениям клапана. Величины трения на подвижных элементах редукторов будем считать пропорциональными скорости перемещения.
Устойчивость "в малом" установившегося режима может быть оценена по линейной модели, полученной линеаризацией нелинейной модели (3.1 )-ь(3.16) в окрестностях данного установившегося режима. Очевидно, линеаризацию следует проводить в окрестностях режима, наиболее опасного по потере устойчивости. Как уже отмечалось, наиболее опасным в этом смысле является режим при максимальных значениях величин рв, Тб, р 6, Гб , а также при максимальных расходах топлива и сжатого воздуха, т. е. при максимальном значении управляющего воздействия Р4- Этот режим соответствует режиму настройки. Установившиеся значения давления на всех ступенях редуцирования в этом режиме обеспечиваются соответствующими величинами усилий поджатия пружин Р\, Р2, Р при настройке. Полученная линейная модель (3.29) отображает динамические свойства подсистемы регулирования давления в окрестностях установившегося режима. С ее использованием можно методом математического моделирования оценивать устойчивость данного режима. Реализация такого моделирования значительно проще, чем при использовании нелинейной модели. Однако построить методику выбора параметров подсистемы, обеспечивающей устойчивость ее режимов, на основе такой достаточно сложной модели затруднительно. Поэтому желательно в дальнейшем эту модель по возможности упростить.
В работе [1] показано, что на точность решения задачи об устойчивости системы регулирования давления практически не влияет следующее упрощение линейной математической модели редуктора.
