Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАБОТ,.ПОСВЯЩЕННЫХ ЭТАПУ НАЧАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГТД : 11
1.1 Особенности авиационного ГТД как объекта проектирования 11
1.2 Аналитический обзор опубликованных работ по оптимизации параметров рабочего процесса ГТД 14
1.3 Аналитический обзор опубликованных работ по оптимизации конструктивно геометрических параметров турбокомпрессоров ГТД 16
1.4ГАналитический обзор опубликованных работ по оптимизации управления гтд : 18
1.5 Основные задачи исследования 21
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И ОЦЕНКА ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТИ 23
2.1 Постановка задачи 23
2.2 Математическая модель полета ЛА 26
2.3 Численные методы решения системы дифференциальных уравнений 28
2.4 Математическая модель летательного аппарата 31
2.5 Математическая модель силовой установки 32
2.6 Математическая модель ГТД 33
2.6.1 Математическая модель входного устройства 35
2.6.2 Математическая модель компрессора 37
2.6.3 Математическая модель вентилятора 41
2.6.4 Математическая модель канала наружного контура 48
2.6.5 Математическая модель учета отбора рабочего тела из проточной части 49
2.6.6 Математическая модель основной камеры сгорания 50
2.6.7 Математическая модель турбины 53
2.6.8 Математическая модель сумматора мощности 59
2.6.9 Математическая модель трансмиссии 59
2.6.10 Математическая модель камеры смешения 60
2.6.11 Математическая модель форсажной,камеры сгорания. 64
2.6.12 Математическая модель конического сопла. 67
2.6.13 Математическая модель сопла Лаваля 70
2.6.14 Математическая модель диффузорного выходного устройства. 72
2:6.15 Математическая модель воздушного винта 74
2.6.16 Математическая модель основных данных ГТД: 74
2.1 Численный метод решения системы нелинейных уравнений .77
2.8 Математическая модель критериев эффективности. 80
3 МЕТОД ОП ТИМИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ГТД ПО КРИТЕРИЯМ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛА. 85
3:1 Постановка задачи оптимизации управления ГТД. 85
3;2 Метод оптимизации функции управления 87
3.3 Описание используемого метода численной параметрической оптимизации. 9
3.4 Метод расчета целевой функции при многокрйтериальнойюптимизации ; управления с учетом ограничений; 94
4 АВТОМАТИЗИРОВА1П1АЯ ПОДСИСТЕМА ОПТИМИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ГТД (АСТРА-ОПТ).. 96
4:11 Назначение подсистемы и решаемые задачи 96
4.2 Концепция построения подсистемы 97
4.3 Структура подсистемы и ее компоненты 981
4.4 Описание функционирования подсистемы. 100;
5 АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ. : НО:
5.1 Определение параметров математической модели двигателя Д-ЗОКУ-154...110;
5.2 Моделирование полета средне магистрального пассажирского самолета Ту- 154М; 119
5.3 Оптимизация управления двигателями Д-ЗОКУ-154 среднемагистрального пассажирского самолета Ту-154М. 123
5.4 Внедрение результатов работы 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 137
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Введение к работе
Актуальность проблемы
Разработка: проекта авиационного ГТД — это относительно небольшой по продолжительности, но чрезвычайно важный , по принимаемым решениям период жизненного цикла двигателя. В. результате проектирования, формируются необходимые. информационные модели как; по двигателю в .целом; так и по всем его элементам..Это, в конечном? счете, предопределяет облик двигателя, особенности его конструктивного воплощения, характер технологических процессов при производстве неэффективность летательного аппарата, на котором.он эксплуатируется.
С развитием методов? и средств проектирования авиационных газотурбинных двигателей- наибольшее распространение получил подход, при; котором оценка! проекта? осуществляется, на основании критериев эффективности системы более высокого уровня - летательного аппарата.
Эффективность, эксплуатации, пассажирских самолетов; в. главной» степени: обусловлена их топливной экономичностыо: В последнее время в связи с истощением природных ресурсов углеводородного топлива; исследования в области снижения их потребления? и повышения? эффективности ЛА приобретают все большую актуальность. За весь срок эксплуатации среднемагистрального пассажирского; самолета расход горюче-смазочных материалов имеет внушительную величину и в денежном эквиваленте может составлять более 90% от стоимости жизненного цикла; двигателя. Поэтому топливная экономичность проектируемого газотурбинного- двигателя при; эксплуатации; в; системе летательного аппарата является основным залогом его конкурентоспособности на мировом рынке.
На начальном этапе проектирования газотурбинных двигателей можно выделить следующие основные направления повышения их эффективности:
- повышение уровня и оптимизация параметров рабочего процесса ( Тг , ПкХ 5 т , кв );
-разработка двигателей, с более совершенным термодинамическим циклом; и развитым управлением элементами,проточной.части;
- применение альтернативных видов топлива;
- разработка и применение более адекватных методов оценки технико-экономических критериев эффективности ГТД в системе ЛА;
- оптимизация управления силовой установкой в процессе полета ЛА.
На протяжении полета, от взлета до посадки, условия и режимы работы силовой, установки изменяются в широком диапазоне. На значения критериев эффективности системы ЛА-ГТД наряду со значениями параметров рабочего процесса ГТД значительное влияние оказывает изменение функции управления двигателем по траектории полета. Вследствие этого достоверные значения критериев эффективности ЛА и области оптимальных параметров ГТД могут быть получены только путем моделирования полета летательного аппарата.
При достигнутом высоком уровне параметров рабочего процесса газотурбинных двигателей актуальной является задача дальнейшего повышения эффективности эксплуатации летательных аппаратов путем оптимизации управления ГТД по критериям эффективности ЛА, рассчитываемых с учетом моделирования полета по заданной траектории.
Кроме того, важной и актуальной задачей является создание автоматизированной системы, позволяющей решать весь комплекс задач проектирования ГТД и интеграция ее с системами автоматизированного, проектирования ЛА.
Цель исследования
Целью исследования является повышение эффективности и снижение стоимости жизненного цикла авиационных газотурбинных двигателей за счет разработки методов и средств оптимизации управления ими в системе ЛА.
Методы исследования
Для решения поставленных задач использованы методы теории рабочих процессов ГТД, системного анализа, исследования операций, теории оптимального управления, математического моделирования, вычислительной математики и САПР.
Научная новизна
1. Разработана усовершенствованная математическая модель полета ЛА, позволяющая исследовать влияние управления двигателями на динамику полета ЛА и его критерии эффективности.
2. Разработана математическая модель определения критериев эффективности ЛА по результатам моделирования его полета.
3. Разработаны.усовершенствованые математическая модель ГТД и метод расчета его характеристик, позволяющие повысить надежность получения, результатов расчета параметров двигателя в широком диапазоне режимов работы,и внешних условий, а также сократить время численного моделирования полета ЛА- и оптимизации управления его двигателями.
4. Впервые разработан метод оптимизации»управления ГТД, позволяющий повысить эффективность ЛА за счет выбора наиболее рационального управления-его силовой установкой.
5. Разработана автоматизированная подсистема оптимизации управления ГТД (АСТРА-ОПТ), входящая в состав автоматизированной системы термогазодинамического расчета и анализа газотурбинных двигателей и энергетических установок (АСТРА), которая позволяет, в комплексе решать задачи выбора оптимальных параметров рабочего процесса, расчета эксплуатационных, характеристик и оптимизации управления ГТД произвольных типов и схем.
Практическая значимость,
Разработанные методы и новые результаты, полученные в диссертации позволяют повысить эффективность проектируемых ГТД и сократить сроки их проектирования за счет целенаправленного поиска рационального способа управления двигателями и более точного расчета критериев эффективности ЛА по результатам моделирования его полета, что также может быть использовано- при оптимизации параметров рабочего процесса двигателя.
Практическая значимость диссертации подтверждается тем, что она выполнялась в рамках инновационной образовательной программы «Развитие центра компетенции и подготовка специалистов мирового уровня в области аэрокосмических и геоинформационных технологий», а также темы «Развитие теоретических основ оптимального проектирования двигателей атмосферных летательных аппаратов и энергетических установок» по заданию Федерального агентства по образованию и целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы».
Результаты исследований по оптимизации управления ГТД, разработанная автоматизированная система термогазодинамического расчета и проектирования ГТД внедрены в учебный процесс кафедры теории двигателей летательных аппаратов СГАУ.
Кроме того, разработанная автоматизированная система термогазодинамического расчета и проектирования ГТД (АСТРА) нашла практическое применение на кафедре «Турбинные двигатели и установки» ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (гос. контракт №528/07-ГК).
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы, научные и практические результаты докладывались на Международной научно-технической конференции "Авиадвигатели XXI века" (Москва, ЦИАМ, 2005); Международной научно- технической конференции "Проблемы и перспективы развития двигателестроения" (Самара, СГАУ, 2006); X Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2007» (Пермь, ПГТУ, 2007); на научно-технических совещаниях и семинарах СГАУ и Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
Публикации
По теме диссертации опубликована 20 работа, в том числе три статьи в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК, два учебных пособия, 9 материалов конференций, одно электронное учебное пособие и три электронных методических указания, изданных в рамках национального проекта «Образование».
