Автоматизация термогазодинамического расчета переходных режимов работы авиационных ГТД
Математическое моделирование термогазодинамических процессов ГТД на переходных режимах стороны процессов, протекающих в двигателе, то на первый план выходят существенно нелинейные нестационарные модели термогазодинамических процессов. В работе сформулированы принципы построения универсальных алгоритмов расчета переходных режимов работы авиационных двигателей в компьютерной среде с использованием… Читать ещё >
Содержание
- УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
- ГЛАВА 1. Анализ проблемы. Постановка задачи
- 1. 1. Режимы работы авиационных ГТД, термины, определения
- 1. 2. Приемистость авиационного ГТД
- 1. 3. Динамические свойства (характеристики) авиационного двигателя
- 1. 4. Обзор систем моделирования авиационных двигателей
- 1. 4. 1. GASTURB (Германия, версия 5.2)
- 1. 4. 2. GASTURB (Германия, версия 7.0 для Windows)
- 1. 4. 3. GECAT (США)
- 1. 4. 4. JGTS (США).,
- 1. 4. 5. Программный комплекс ГРАД (Россия)
- 1. 5. Анализ работ по отдельным аспектам моделирования переходных режимов
- 1. 6. Постановка задачи
- ГЛАВА 2. Разработка системы для описания неустановившихся режимов работы авиационных двигателей произвольных схем
- 2. 1. Математическое моделирование термогазодинамических процессов авиационных ГТД
- 2. 2. Рабочая линия на характеристике компрессора на установившихся и неустановившихся режимах
- 2. 3. Особенности моделирования переходных режимов работы авиационных ГТД
- 2. 4. Основные принципы построения универсальной системы моделирования термогазодинамических процессов в ГТД на переходных режимах
- 2. 4. 1. Формирование универсальных алгоритмов расчета неустановившихся режимов авиационных ГТД
- 2. 4. 2. Организация расчета неустановившихся процессов работы авиационных ГТД в среде БУЮр
- 2. 4. 3. Решение дифференциальных уравнений, описывающих переходные режимы, итерационным методом
- 2. 5. Модули системы ЭУЮр для расчета основных узлов двигателя на переходных режимах
- Выводы
- ЛАВА 3. Учет влияния различных факторов на протекание гермодинамических процессов на неустановившихся режимах работы шиационных двигателей
- 1. 1. Исходные предпосылки. Основные факторы, влияющие на неустановившиеся режимы работы авиационных двигателей
- 2. Модульный принцип учета факторов
- 5. 3. Алгоритмы, описывающие основные факторы, влияющие на динамические характеристики
- 3. 3. 1. Инерционность роторов
- 3. 3. 2. Газодинамическая инерционность
- 3. 3. 2. 1. Общие принципы
- 3. 3. 2. 2. Влияние газодинамической нестационарности на характеристики лопаточных машин
- 3. 3. 3. Тепловая инерционность рабочего тела
- 3. 3. 4. Нестационарный теплообмен рабочего тела с конструкцией и окружающей средой
- 3. 3. 5. Динамика процессов подвода тепла от источника энергии. 86 3.4. Влияние динамических факторов (по результатам расчетов)
- 5. 3. Алгоритмы, описывающие основные факторы, влияющие на динамические характеристики
- 4. 1. Одновальный двигатель (изделие 97)
- 4. 1. 1. Исходные данные
- 4. 1. 2. Идентификация модели на расчетном режиме и статической дроссельной характеристике
- 4. 1. 3. Приемистость по закону Gx=f (n) с /?таХ=
- 4. 1. 4. Приемистость по закону G-r=f (rc) с h тах=
- 4. 1. 5. Программа Gr=const.Ill
- 4. 1. 6. Программа Gf=f (PCT)
- 4. 1. 7. Программа Gr=f (x)
- 1. 2. Двухвальный двигатель (изделие 95)
- 4. 2. 1. Особенности расчета переходных режимов в двухвальных схемах
- 4. 2. 2. Исходные данные
- 4. 2. 3. Идентификация модели на расчетном режиме и статической дроссельной характеристике
- 4. 2. 4. Приемистость по закону GT=f (iiBa)
- 4. 2. 5. Изменение темпов приемистости
- 5. 1. Описание системы DVIGp
- 5. 2. Особенности версии системы DVIGp для Win95, WinNT, OS/2. выводы. сновные оезультаты и
- 1. итература
- I. — полярный момент инерции ротора, кг м2- к — показатель адиабаты
Кд- коэффициент использования динамических свойств двигателя- Кт- коэффициент динамичности- М — число Маха полета или масса конструкции, кг- Мюб — избыточный момент на валу- N -мощность компрессора, Вт-
П, Пвд, Пнд — частота вращения ротора (высокого, низкого давления), об/мин-
с1п
П ,--ускорение ротора, V-
Р — тяга двигателя, Н // давление в сечении газовоздупшого тракта, Па- Рст- статическое давление за компрессором, Па- Я — газовая постоянная, Дж/ кг К- теплоемкость материалагконструкции, Дж/кг К- Суд -удельный расход топлива, кг/(ч-П). пр- время приемистости, с- б- время сброса оборотов, с-
Т — температура в сечении газовоздушного тракта, К- V — объем проточной части, м3- а — коэффициент избытка воздуха // угол установки РУД- е — газодинамическая функция плотности // относительная погрешность- я (X), q (X), г (X) — газодинамические функции- фс — коэффициент скорости сопла- *
— КПД компрессора- Л мех' механический КПД- Г| т -КПД турбины- г2 — коэффициент полноты сгорания топлива-
X — приведенная скорость- р. с- коэффициент расхода сопла-
7С к — степень повышения давления в компрессоре-
71 с — степень понижения давления в реактивном сопле- *
71 т — степень понижения давления в турбине- р — плотность рабочего тела, кг/м3-
7 кс- коэффициент восстановления полного давления в камере сгорания- т — время переходного процесса, с или газодинамическая функция- А Ку- запас устойчивости компрессора, %.
Индексы:
1 — входное сечение узла-
2 — выходное сечение узла- агр — агрегат (отбора или подвода механической энергии) — к- компрессор- кс- камера сгорания- н — параметры окружающей среды- о — параметры в точке образмеривания- рс- реактивное сопло- са- сопловой аппарат- сг- сгорание (топлива) — ст — статическое-
Т — топливо или турбина- - параметры заторможенного потока- max — максимальный режим-
М.Г. — малый газ.
БЛАГОДАРНОСТЬ Основная часть работ выполнялась на материально-технической базе лаборатории математического моделирования сложных технических систем кафедры «Авиационные двигатели» УГАТУ. Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Гумерову Х. С. и д.т.н., профессору Ильясову Б. Г., осуществлявшим научное и методическое руководство. Искреннюю признательность за помощь и поддержку в проведении исследований автор выражает к.т.н., доценту Кривошееву И. А., благодаря которому была предоставлена возможность использования последних достижений информационных технологий в области систем автоматизированного проектирования. Также за консультации и интерес, проявленный к работе, автор благодарит Магадеева, А .Я. (ГНПП «Мотор», Уфа), Кулагина В. В. (СГАУ, Самара), Ахметова Ю. М. (ИМ РАН), Сунарчина P.O., Арькова Ю. Г. (кафедра ТАРД). Всех своих коллег по кафедре и лично Яруллина Т. Р., Христолюбова B. JL, Кожинова Д. Г. автор благодарит за поддержку и содействие при выполнении работы.
ВЕДЕНИЕ ктуальность темы
Авиационный газотурбинный двигатель представляет собой сложную шинейную динамическую систему, в элементах которой протекают яогообразные газодинамические и теплофизические процессы.
Термогазодинамические процессы, протекающие в двигателе, тцественно изменяются при внешних воздействиях (изменение числа М, 1СОты полета, положения РУД и т. д.). Параметры этих процессов }няются как по фактору воздействия, так и по скорости изменения этого здействия. Например, изменение параметров двигателя при изменении стоты вращения с гм до п2 при А^-Ъ-^оо — псевдоустановившийся режим россельная характеристика). В каждой точке этой характеристики шолняются основные условия совместной работы ГТД на тановившихся режимах [3]:
1) баланс расходов в проточной части двигателя-
2) изменение энтальпии газовоздушного потока в каждом элементе двигателя определяется только процессами, происходящими в этих элементах, так как энергообмен с внешней средой отсутствует.
3) изменение полного давления в каждом элементе двигателя, как и изменение энтальпии, определяется процессами, происходящими в этих элементах-
4) вся мощность, создаваемая турбиной, передается компрессору (с учетом затрат на механические потери и привод агрегатов) —
5) равенство частот вращения компрессора и турбины.
При изменении частоты вращения с ускорением П под воздействием ¡-мущающих или управляющих факторов нарушаются стационарные ювия совместной работы основных узлов ГТД, что приводит к остановившимся переходным режимам работы авиационного ГТД.
Теория автоматического управления (ТАУ) описывает САУ — системы автоматического управления двигателем как динамической системы. Теория ВРД 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 — обеспечения устойчивой работы (управления) сложной динамической системы, в которую авиационный двигатель входит как объект управления.
Список литературы
- Абзалов А.Р. Математическое и имитационное моделирование агрегатов авиационных ГТД и технологий их автоматизированных испытаний: Дис.канд.техн.наук, — Казань: КГТУ, 1998.-176 с.
- Автоматика авиационных газотурбинных установок/Под, ред. А. В. Штода. М.: Воениздат, 1980, — 247 с.
- Акимов В.М., Сосунов В. А. и др. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей/Под ред. С. М. Шляхтенко.- М.: Машиностроение, 1987, — 568 с.
- Акселърод С.Е. Автоматика и основы регулирования авиадвигателей:Учеб. пособие, — Уфа: УАИ, 1982. 93 с.
- Акселърод С.Е. Основы регулирования авиационных двигателей:Учеб.пособие.- Уфа: УАИ, 1981.- 88 с.
- Аръков Ю.Г., Шайхутдинов З. Г. Конвертирование авиационных ГТД для использования в наземных ЭУ: Учеб. пособие.- Уфа: УАИ, 1986, — 82 с.
- Ахмедзянов A.M., Дубравский Н. Г., Тунаков А. П. Диагностика состояния ВРД по термогазодинамическим параметрам. -М.: Машиностроение, 1983.-206 с.
- Ахмедзянов A.M., Ижикеев В. И., Матковская Н. А. Формирование математических моделей ГТД переменного рабочего цикла // Авиационная техника.-1990, — № 3.- С. 86−88.
- Ахмедзянов A.M., Кожинов Д. Г. Системы конструирования среды для математического моделирования сложных технических систем //Авиационная техника. -1994, — № 1. С.54−55.
- Ахмедзянов A.M., Алаторцев В. П., Гумеров Х. С. Термогазодинамические расчеты авиационных ГТД: Учеб. пособие.- Уфа, 1990.-240 с.
- Ахмедзянов Д.А., Кривошеее И. А. Модульный принцип учета влияния Динамических факторов на характеристики неустановившихся процессов ГТД в компьютерной среде DVIG //Авиационная техника, — 1999, — № 2. -С.36−41.
- Ахмедзянов Д.А., Гумеров Х. С. Математическая модель изделия 97 (расчет статических и динамических характеристик): Научно-технический отчет- УГАТУ, ГНПП «МОТОР», 1998. -14 с.
- Ахмедзянов Д.А., Гумеров Х. С. Разработка динамической модели двухвального ТРД: Научно-технический отчет- УГАТУ, ГНПП «МОТОР», 1999, — 16 с.
- Бабкин А.И., Белов С. И. и др. Основы теории автоматического управления ракетными двигательными установками. М.: Машиностроение, 1978, — 328 с.
- Бакулев В. И, Худенко Б. Г. Алгоритмы и программы расчета на ЭВМ высотно-скоростных и дроссельных характеристик ТРД и ТРДФ. М.: МАИ, 1980. — 57 с.
- Белкин Ю.С. и др. Теория автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов /Под ред. A.M. Люльки. М.: Машиностроение, — 1976. — 343 с.
- Биргер И.А. Основы автоматизированного проектирования. М.: ИВУЗ, Машиностроение. — 1977. — № 8. — 94 с.
- Болъшагин В.И., Саркисов А. А. Камеры сгорания ГТД: Учеб. пособие,-Уфа: УАИ, 1982.-41 с.
- Двигатель 95 Ф. Техническое описание.
- Двигатель РД-9Б. Техническое описание.
- Динамика авиационных газотурбинных двигателей / Под ред. И. Г. Биргера и В. А. Шора. М.: Машиностроение, 1981. — 232 с.
- Добрянский Г. В. Динамика авиационных ГТД. -М.: Машиностроение, 1989. 240 с.
- Епифанов С.В., Симбирский Д. Ф. Автоматика и регулирование авиационных газотурбинных двигателей.Учеб. пособие.- Харьков: ХАИ, 1986. 94 с.
- Ильичев Я.Т. Термогазодинамический расчет воздушно-реактивных двигателей//Москва. Труды ЦИАМ, — 1975.-№ 677. 126 с.
- Информационные связи и алгоритмы выполнения универсальных проектных процедур в САПР. Кожинов Д. Г., Кривошеее И. А., Рахимов Б.Э.// Автоматизация разработки авиационных двигателей: Межвуз. науч. сб.- Уфа: УАИ, 1989. -С. 37−50.
- Клячкин A.JI. Теория воздушно-реактивных двигателей.-М.: Машиностроение, 1969.- 512 с.
- Кофман В.М. Дис.канд. техн. наук, — Уфа: УАИ, 1984, — 194 с.
- Крамер Г. Математические методы статистики. -М.: Мир, 1975.- 648 с.
- Кулагин В.В. Теория ВРД. Совместная работа узлов и характеристик ГТД. -Куйбышев: КуАИ, 1988, — 240 с.
- Литвинов Ю.А., Боровик В. О. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных турбореактивных двигателей. -М.: Машиностроение, 1979. 288 с.
- Лукачев В.П., Кулагин В. В. Теория ВРД. Основные закономерности рабочего процесса ГТД. Куйбышев: КуАИ, 1987, — 228 с.
- Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. -Часть 1,2. М.: Машиностроение, 1977.
- Норенков И.П. Разработка САПР: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1994.- 240 с.
- Оптимизация многомерных систем управления газотурбинных двигателей летательных аппаратов / Под общей ред. А. А. Шевякова и Т. С. Мартьяновой. М.: Машиностроение, 1989. — 256 с.
- Переходные процессы в газотурбинных установках / Под ред. проф. И. В. Котляра, — М.: Машиностроение, 1973. 256 с.
- Пономарев Б.А. Настоящее и будущее авиационных двигателей. -М.: Воениздат, 1982. 240 с.
- Проектирование систем автоматического управления ГТД. Нормальные и нештатные режимы / Под ред. акад. Б. Н. Петрова. -М.: Машиностроение, 1981, — 400 с.
- Сосунов В.А., Литвинов Ю. А. Неустановившиеся режимы работы авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 1975. — 216 с.
- Степанъянц Г. А. Теория динамических систем. -М.: Машиностроение, 1985.-248 с.
- Стечкин B.C. Теория реактивных двигателей. -М.: Оборониздат, 1956.548 с.
- Сунарчин P.A., Хасанова Л. М., Михайлов В. Г. Анализ и синтез элементов (узлов) САР ДЛА и ЭУ с помощью системы автоматизированного моделирования (СИАМ). Методические указания.-Уфа: УГАТУ, 1998. 55 с.
- Теория двухконтурных турбореактивных двигателей / Под ред.С. М. Шляхтенко., В. А. Сосунова. -М.: Машиностроение, 1979. 432 с.
- Титов A.B. Разработка и применение передаточных моделей при согласовании газотурбинных двигателей с летательным аппаратом: Дис.канд.техн.наук.- Казань: КГТУ, 1998.-168 с.
- Тунаков А.П. Применение методов оптимизации при доводке и проектировании газотурбинных двигателей. -М.: Машиностроение, 1979.184 с.
- Тунаков А.П., Голлан А. Б., Мац Э.В. и др. Программный комплекс ГРАД для расчета газотурбинных двигателей //Авиационная техника. -1985.-№ 1,-С. 83−85.
- Турчак Л.И. Основы численных методов. М.: Наука, 1987. — 320 с.
- Чечулин А.Ю. Алгоритмы управления режимами запуска вспомогательного газотурбинного двигателя из условия обеспечения повышенного ресурса: Дис. канд.техн. наук.- М.-, Московск. науч.-производств. объединение «Союз», 1989.-185 с.
- Черкасов Б.А. Автоматика и регулирование ВРД: Учебник для вузов по специальности АД. М.: Машиностроение, 1988. — 360 с.
- Чуян Р.К. Методы математического моделирования двигателей летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1988. 288 с.
- Шатров Б., Иванников С. Автоматизация инженерных работ и научных исследований //Открытые системы.-1997.- № 2. С. 45−48.
- Шевяков A.A. Автоматика авиационных и ракетных силовых установок. -М.: Машиностроение, 1970, — 583 с.158
- Янкин В.И. Система программ для расчета характеристик ВРД на ЭЦВМ. М.: Машиностроение, 1976. — 168 с.
- Bauerfeind К. Die Berechnung des Uebertragungsverhaltens von Turbo-Strahlttriewwerken unter Berucksicktigung des instationaeren Verhaltens der Komponenten //Luftfahrttechnik Raumfahrttechnik.- 1968.- № 5.- S. 117−124- -№ 6 .-S. 143−151.
- Kurzke J. Eine erweiterte Version des NASA-Turbienen-Kennfeldprogrammes aus NASA. Lehrstuhl fuer Flugantriebe: TU Muenchen, 1976.-111 s.
- Kurzke J. Berechnungsverfahren fuer das Betriebsverhalten von Luftstrahlantriben. -Lehrstuhl fuer Flugantriebe, TU Muenchen, 1976.-134 s.
- Markwich P. Diplomarbeit am Lehrstuhl fuer Luftfahrtriebwerke der TU. -Muenchen, 1983. 170 c.
- Muenzberg H., Kurzke J. Gasturbinen Betriebverhalten und Optimierung. -Berlin, 1977. 438c.
- Muenzberg H. Flugantriebe. -Berlin, 1982, — 393 c.
- Tiefenbacker E. Probleme von Waermetauschern fuer Fahrzeug-Gasturbinen. -DLR-Mitt, 1975. 135 c.