Введение к работе
Актуальность темы. Авиационный газотурбинный двигатель представляет собой сложную нелинейную динамическую систему, в элементах которой протекают многообразные термогазодинамические и теплофизические процессы.
Термогазодинамнческие процессы существенно зависят как от внешних воздействий (изменение числа М, высоты полета, положения РУД и т.д.), так и от скорости их воздействия. Например, изменение параметров двигателя при изменении частоты вращения с / до ли при Ам^^яо - псевдоустановившийся режим (дроссельная характеристика). В каждой точке этой характеристики выполняются основные условия совместной работы ГТД на установившихся режимах. При изменении частоты вращения с ускорением h под воздействием возмущающих или управляющих факторов, нарушаются стационарные условия совместной работы основных узлов ГТД, что приводит к неустановившимся
Математическое описание особенностей работы двигателей на переходных режимах, оптимизация законов регулирования на этапах исследования, анализа и проектирования, требуют создания инженерного математического метода, позволяющего достаточно точно и оперативно воспроизводить различные переходные режимы работы ГТД различных схем с учетом основных значимых факторов.
Адекватность математического описания термогззодяпамических процессов ка этапах проектирования и доводки ГТД не только предопределяет затраты, связанные с обеспечением требуемых характеристик изделия, но и позволяет оптимизировать параметры рабочего процесса, время создания двигателя. Поэтому разработка универсального метода расчета термогазодинамических процессов авиационных ГТД произвольных схем на переходных режимах является одной из важнейших задач общей проблемы обеспечения эффективного и устойчивого характера их работы.
Важность и актуальность темы диссертации подтверждена тем, что ее отдельные этапы включены в планы совместных работ УГАТУ с ГНПП «Мотор», КМЗ, госбюджетной НИР и грантов.
Цель работы. Целью работы является разработка универсального метода расчета термогазодинамнческих процессов применительно к условиям их автоматизации, для авиационных ГТД различных схем я режимов экотлуатации. Задачами исследования являются:
- разработка универсального метода математического моделирования
неустановившихся термогазодинамических процессов в авиационных ГТД;
- разработка модульного метода учета и оценки влияния основных значимых
факторов, влияющих на динамические процессы при расчете переходных режимов
работы ГТД различных схем;
оценка эффективности предложенного метода моделирования переходных процессов авиационных ГТД на конкретных изделиях.
Место решаемых вопросов в сложившихся научных направлениях схематично представлено на рис. 1.
Математическое мсделкрокмю тврмогагодинаыичесхих процессов в ГТД
Математическое моделирование
териогазадинатческих процессов
ГТД на переходных режимах
Рис. 1. Место решаемых вопросов в сложившихся научных направлениях Теория автоматического управления (ТАУ) описывает САУ - системы
ІЛ'пл-іг'і-тт'ІТЛЛті-лгіл *гтт*>г>ттлтг*і*т тгапгчтаїтаїг p«>w ттту\\rtrrtas*Trr\}r лтіо^лііт т І^Аґ\тяа ODTT t*±ji.KSi*±*iі.ііН<~*;і\ил\і yiiy
изучает термогазодинамические процессы, в том числе и на переходных режимах, управление которыми обеспечиваются САУ. Теория автоматического управления и теория ВРД с разных сторон решают одну и ту же проблему - обеспечение устойчивого управления сложной динамической системой, в которую авиационный двигатель входит как объект управления.
Теоретические основы переходных процессов в газотурбинных двигателях широко описаны в научных трудах как в области ТАР, так и в теории ВРД. В осноеном при математическом описании широко применяются упрощенные математические модели - линеаризованные, кусочно-линейные, регрессионные. В работе сформулированы принципы построения универсальных алгоритмов расчета переходных режимов работы авиационных двигателей в компыотернон системе с использованием современных объекшо-ориентированных, модульных и открытых информационных технологий, достижений классической термогазодинамики. В работе рассматриваются следующие переходные процессы:
- приемистость и дросселирование при изменении расхода топлива в диапазоне
эксплуатационных режимов по частоте вращения;
- включение и выключение форсажной камеры, совмещенные с изменением режима по частоте вращения;
- ступенчатое и программное включение отбора рабочего тела (воздуха, газа) по
тракту двигателя;
- изменение нагрузки, отбираемой от вала турбокомпрессора (для ТВД) или
свободной турбины (ГТЭУ);
- изменение входных условий в динамическом режиме.
Методы исследования базируются на теории рабочих процессов авиационного ГТД (основных положениях газовой динамики и термодинамики), теории дифференциальных уравнений, методах системного анализа с применением современных информационных технологий.
імлі ^шчг'\*х»г mnm».ii4.Mt
основные принципы построения универсатьной системы математического моделирования неустановившихся термогазодинамических процессов в ГТД на переходных режимах его работы;
модульный метод учета основных факторов, влияющих на переходные режимы
ГТД;
- формализованный алгоритм решения задач расчета неустановившихся режимов
работы авиационных ГТД.
Научная новизна:
впервые предложен универсальный метод построения алгоритма расчета переходных режимов работы авиационных ГТД любых сложных схем, основанный на унификации алгоритма расчета (метода) в рамках всевозможных законов
впервые предложен прием построения алгоритма расчета дифференциальных уравнений, описывающих переходные режимы работы, основанный на вложенном итерационном принципе задания циклов расчетов и имитационном математическом моделировании физических процессов;
впервые предложен модульный принцип учета различных факторов, описывающих неустановившиеся процессы, обеспечивающий универсальное построение и развитие (детализацию) алгоритмов расчета переходных режимов работы авиационных ГТД любых сложных схем;
на основе системы DVIG разработана универсальная компьютерная система
DVIGpnM моделирования термогазодпиамических процессов ГТД произвольных
схем на переходных режимах.
Практическая значимость. Разработанная система моделирования нестационарных процессов ГТД предназначена для широкого применения на этапах научного исследования, проектирования ГТД, оптимизации термогазодинамических процессов и законов регулирования. Развивающиеся средства новых информационных технологий, накопленный богатый опыт математического описания термогазодинамических процессов- в ГТД на переходных режимах позволили автоматизировать расчеты различных переходных процессов, практическая ценность этого подтверждается следующим:
- на этапе проектирования; повышением качества проектирования благодаря
появлению таких возможностей, как увеличение количества просматриваемых
вариантов, более детального и всестороннего анализа каждого проектного
решения, возможность решать принципиально новые задачи, сокращением сроков и стоимости разработки изделий;
- на этапе исследований: изучением работы двигателя в различных ситуациях и на
различных режимах работы, заменой ряда экспериментов, связанных с натурными
испытаниями на дорогостоящих установках, на математическое моделирование;
- в учебном процессе: возможностью изучения и доступного представления
физической сущности происходящих в двигателе процессов на переходных
режимах.
Реализация результатов. Результаты исследований и разработанная математическая модель внедрены на ГНПП "Мотор", в учебный процесс УГАТУ и СГАУ.
Апробация результатов работы производилась цри:
разработке совместно с ГНПП «Мотор» математической модели одновального ТРД (расчет статических и динамических характеристик); динамической модели двухвального ТРД (изделия 95); методического и программного обеспечения для моделирования рабочих процессов и анализа идентификации результатов испытаний газотурбинной энергетической установки типа ГТЭУ 10/95;
выполнении госбюджетной НИР, грантов МАИ, МАТИ;
использовании в учебном процессе УГАТУ и СГАУ по специальности "Авиационные двигатели".
Публикации. По материалам работы опубликованы 6 статей, 8 тезисов докладов, 2 учебных пособия и 3 отчета. Основные результаты докладывались на Всероссийской молодежной НТК "Проблемы энергомашиностроении" (Уфа, 1996), на Международном симпозиуме (Китай, 1997), на Международной НТК (Самара, 1997), на Третьем конгрессе двигателестроителей Украины с иностранным участием (Харьков, 1998), на Республиканской конференции "Энергоресурсосбережение в Республике Башкортостан" (Уфа, 1999), на Объединенной международной НТК (Самара, 1999).
Структура и объем работы. Работа состоиг из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она содержит 158 страниц машинописного текста, ПО рисунков, 25 таблиц и список литературы из 64 наименований, из них 7 на иностранных языках.
