Введение к работе
Актуальность темы
Известно, что еще со времен создания лопаточных машин в системах, содержащих воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания, турбину и реактивное сопло, существует проблема распознавания неустойчивых газодинамических процессов, протекающих в газовоздушном тракте. Она обусловлена тем, что при помпажных явлениях ("помпаж", "помпажный срыв", "вращающийся срыв" и др.) происходит резкое изменение газодинамического состояния газотурбинной установки (ГТУ) или авиационного газотурбинного двигателя (ГТД). Последнее приводит к значительному отклонению значений различных параметров ГТУ, ГТД или всей силовой установки летательного аппарата (СУЛА).
Отклонения от нормы таких параметров как давление Pj , температуры Tj, скорости Cj, акустических масс Lai и гибкости Cai (здесь /-сечение ГТУ) и др. в большинстве случаев, приводят не только к неустановленным режимам работы ГТУ, но и к аварии всего турбокомпрессора.
Необходимо также отметить, что в условиях конверсии все более жизненно необходимыми становятся исследования газодинамической неустойчивости в ГТУ (см. Райе И. Ж. "Термодинамическая оценка циклов совместной выработки тепла и электроэнергии в ГТУ" в журнале "Энергетические машины и установки", 1987, № 1, с. 1-9, с. 10-20), широко используемых для одновременной выработки тепла и электрической энергии в наземных условиях.
Приведем краткий перечень ГТУ, используемых для этих целей и работающих по разным схемам.
А. ГТУ с разомкнутым циклом
Здесь применяют способы промежуточного охлаждения, регенерации и промежуточного подогрева. Значительно повышается экономичность ГТУ при сочетании промежуточного охлаждения с регенерацией. Именно это преимущество было использовано при ее внедрении на судах ВМФ США. Примером могут служить двигатель Spey фирмы Rolls-Royce, а также ГТУ LM 250 OPE (General Electric), LM 5000А (General Electric), 501-D (Westing house) и др.
Б. ГТУ с замкнутым циклом
ГТУ замкнутого цикла выпускаются фирмой GHH (ФРГ) (см. Баммерт К. Опыт эксплуатации и результаты испытаний ГТУ замкнутого цикла в ФРГ в журнале "Энергетические машины и установки", 1987, № 1, с. 21-30) и используются для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии в ТЭЦ, АЭС и энергетических установках космических аппаратов. Принцип выработки энергии состоит в сжатии воздуха в компрессоре (при промежуточном охлаждении) и в подогреве в рекуператоре и в нагревателе. Далее воздух расширяется в турбине и процесс повторяется снова. Необходимо также отметить, что надежность узла "компрессор-электрогенератор-
турбина" была определена в космических условиях на установке научно-исследовательского центра им. Льюиса (НАСА).
В связи с дальнейшим совершенствованием и использованием ГТУ для обслуживания газопроводов, обогатительных и нефтеперерабатывающих заводов, возрастает опасность потери устойчивости систем, содержащих лопаточные машины. В книге Compressor controls corporation (USA, 1997) приведены примеры возникновения помпажа вследствие сбоя процесса, изменения молекулярного веса и химического состава газа и т. д. Здесь же отмечено, что помпаж опасен для ГТУ и часто является причиной ее аварийной остановки и дорогостоящего ремонта.
Поэтому задачи, связанные с исследованием по распознаванию помпаж-ных явлений, а также по их устранению, являются весьма актуальными.
Необходимо отметить, что хотя проблема помпажа стоит давно, тем не менее и в настоящее время ее можно подразделить на две подпроблемы. Первая - как предсказывать по характеристикам компрессора и дросселя и геометрическим параметрам газовой системы возможность появления неустойчивых явлений. Вторая подпроблема заключается в получении ответа на вопрос о том, почему характеристика компрессора(в этой работе он представляется как объект регулирования) принимает ту или иную форму и каким образом изменить ее в желаемом нам направлении. Обе подпроблемы, указанные выше, так или иначе можно разрешать, пользуясь быстродействующими электронными автоматическими устройствами. Причем для распознавания помпажа необходимо использовать теории как сосредоточенных, так и распределенных параметров двигателя. Это обусловлено тем, что в настоящее время существует множество различных типов двигателей со своими определенными характеристиками и применение к ним универсальных стандартных устройств весьма ограничено. Иными словами, каждый тип двигателей должен быть снабжен своим устройством защиты от помпажа.
Цель работы. Повышение надежности работы ГТД за счет быстродействия распознавания и эффективности ликвидации помпажных явлений в компрессорах как объектах управления.
Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:
1. Провести анализ характерных особенностей физических явлений
при потере газодинамической устойчивости компрессора как объекта регу
лирования.
Провести анализ существующих моделей газодинамической неустойчивости компрессора. Выявить их недостатки.
2. Разработать имитационные математические модели газодинами
ческой неустойчивости компрессора как объекта регулирования, используя
экспериментальные данные о помпаже.
Провести обобщения предложенных имитационных математических моделей.
-
Разработать и проверить достоверность критериев, методов и Работы электронных автоматических устройств, реализующие комплексы внутридвигательных параметров.
-
Разработать решающую таблицу, по которой можно проанализировать применимость тех или иных электронных устройств для ликвидации различных видов газодинамической неустойчивости(помпажного срыва, помпажа, вращающегося срыва).
-
Провести обобщения критериев, алгоритмов, методов и структуру электронных автоматических устройств распознавания помпажа
6. Разработать многоуровневую иерархическую систему защиты ГТД
от помпажа, состоящую из нескольких уровней.
-
Провести исследования по выявлению наиболее эффективного алгоритма подавления помпажа.
-
Привести результаты экспериментальных исследований электронного устройства защиты ГТД от помпажа.
Общая методика исследования. Теоретические и экспериментальные исследования проведены с применением моделей, содержащих как акустические, так и реальные параметры газовой системы с компрессором.
В работе использованы формулы энергий, движения воздуха по газовоздушному тракту, уравнения отклонения расхода воздуха от равновесного режима, а также уравнения (гидродинамики) движения, неразрывности, адиабаты.
Экспериментальные исследования (проверка полученных моделей неустойчивых процессов, критериев распознавания и ликвидации помпажа) проводились с применением характерных изменений самых информативных параметров газотурбинных установок при помпаже.
Научная новизна. Выявлены и предложены имитационные математические модели газодинамической неустойчивости газотурбинных установок для последующего определения алгоритмов устойчивости. Проведены существенные теоретические обобщения этих моделей, результатами которых является классификация.
Разработаны принципиально новые методы и электронные автоматические устройства защиты компрессора от помпажа, реализующие комплексы внутридвигательных параметров, характерной особенностью которых является наличие в алгоритмах устойчивости параметров давления и обратных величин температур всего газовоздушного тракта, а также вычисление отдельных наиболее информативных параметров двигателя. Предложена классификация существующих и разработанных в этой работе методов распознавания помпажа.
Впервые предложена универсальная многоуровневая иерархическая система защиты ГТД от помпажа, состоящая из 4 уровней, реализующих комплексы внутридвигательных параметров и взаимосвязанных между собой блоками переходных алгоритмов и действующих автономно, и включаемых
последовательно при отсутствии помпажа всего двигателя, компрессора и т. д.
Проведены существенные теоретические обобщения имеющихся и предложенных в работе методов ликвидации помпажа, результатами которых являются классификации.
На защиту выносятся:
-
Имитационные математические модели и алгоритмы устойчивости турбокомпрессора как объекта регулирования на границе его устойчивой работы на основе рационального сочетания априорной информации о газодинамическом и упрощенном описании физических процессов.
-
Методика построения методов и автоматических устройств распознавания различных видов неустойчивости.
-
Теоретические обобщения математических моделей газодинамической неустойчивости, методов распознавания и методов ликвидации помпажа, результатами которых являются классификации.
-
Многоуровневая иерархическая система защиты ГТД от помпажа.
-
Комплексы параметров и отдельные параметры турбокомпрессора, характеризующие границу его газодинамической устойчивости.
Практическая ценность. Предложенная методика с использованием математических моделей газовых систем позволяет произвести исследование, анализ и выбор алгоритма определения неустойчивых режимов, подразделяющихся на помпаж, помпажный срыв и вращающийся срыв.
На основе полученных критериев разработаны электронные устройства, обладающие значительно большим быстродействием и надежностью распознавания помпажа по сравнению с существующими, проверенные подстановкой в них экспериментальных данных о помпаже. Это в значительной степени способствует не только повышению надежности работы ГТУ, ГТД, но и возможно, предотвращению от аварии газовых систем, содержащих лопаточные машины.
Установлены регулирующие органы ГТД, на которые нужно воздействовать для более эффективной ликвидации помпажных явлений. Это вызывает необходимость улучшения и отработки элементов регулирующих органов газотурбинных установок.
Выполнена классификация методов распознавания и ликвидации помпажа, предложенных в работе. Дана четкая рекомендация по их применению к конкретным ЛА.
Реализация результатов работы. На предприятии КБ "Мотор" внедрена методика оценки газодинамического состояния газотурбинных установок на основе контроля комплекса отдельных параметров газовой системы. Методика использована на этапе предварительного синтеза системы антипом-пажной защиты. Два изобретения внедрены в учебный процесс УГАТУ. Результаты диссертационной работы используются также на военной кафедре УГАТУ на специальности "Авиационные двигатели" и "Авиационное оборудование". Имеется ряд актов внедрения изобретений.
Апробация работы. Результаты работы докладывались XXX, ХХХХШ, научно-технических конференциях, а также семинарах УГАТУ (в них приняли участие ученые кафедр технической кибернетики, промышленной электроники, АСУ, военной кафедры и др.) в 1980-1997 гг. Были сделаны также доклады на II Международной научно-технической конференции "Моделирование и исследование сложных систем" (г. Москва, июнь 1998 г.), Первом всероссийском семинаре "Моделирование неравновесных систем - 98 (16-18 октября 1998 г., г. Красноярск), VII Четаевской Международной конференции "Аналитическая механика, устойчивость и управление движением" (г. Казань, 11-13 июня 1997 г.), Второй Международной научно-технической конференции "Перспективные технологии в средствах передачи информации" (г. Владимир, 25-27 июня 1997 г.), XVI Международной конференции "Математическое моделирование в механике сплошных деформируемых тел. Методы граничных и конечных элементов" (23-26 июнь 1998, г., С.Петербург), а также на зональных конференциях (г. Пенза -1986 и г.Уфа -апрель 1997 г.). Содержание диссертации отражено в статьях, авторских свидетельствах и патентах автора.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 146 печатных работ, в том числе 105 изобретения подтверждены авторскими свидетельствами и патентами (из них около 50 способов) и 41 тезисов докладов и статей в центральной печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и приложения, содержит 217 страниц машинописного текста и 71 листов иллюстрационно-табличного материала, библиография - 212 наименований использованных литературных источников.
Автор искренне благодарен за обстоятельные консультации д-ру техн. наук, проф., заслуженному деятелю науки России Ю. М. Гусеву, а также д-ру техн. наук, проф., заслуженному деятелю науки и техники России Б. Г. Ильясову, д-ру техн. наук, проф., заслуженному деятелю науки России В. И. Васильеву, д-ру техн. наук, проф., заслуженному деятелю науки России Г. Г. Куликову, д-ру техн. наук, проф., заслуженному деятелю науки Республики Башкортостан В. Н. Ефанову, д-ру техн., проф., заслуженному деятелю науки Республики Башкортостан Ф. А. Гизатуллину, д-ру, техн. наук, проф. С. В. Павлову, д-ру техн. наук, проф. И. А. Кривошееву, канд. техн. наук, доц. Ю. М. Ахметову за консультации, критические замечания, советы и рекомендации в процессе написания и представления докторской диссертации.
