Разработка и исследование газодинамического метода измерения параметров для задач управления ВРД тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Перелыгин, Сергей Сергеевич

• Перелыгин, Сергей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Перелыгин, Сергей Сергеевич

Содержание.

Введение.

Глава I (Обоснование и анализ газодинамического метода косвенного определения параметров ВРД).

1.1 Вывод уравнения относительной скорости потока.

1.2 Основы метода косвенного определения газодинамических параметров.

1.3 Метод определения параметров по трём точкам.

1.4 Диаграмма течения потока.

1.5 Методика расчёта газодинамических параметров предлагаемым методом.

Глава II (Анализ точности разрабатываемого газодинамического метода).

2.1 Обоснование выбора расстояния между сечениями.

2.2 Использование коэффициентов влияния на величину базы.

2.3 Определение и анализ коэффициентов влияния.

2.4 Математическая модель системы измерения.

2.5 Анализ рассмотренных методов.

Глава III (Экспериментальный анализ разработанного метода измерений параметров).

3.1 Числовые примеры использования метода.

3.2 Методы и средства измерения исходной информации.

3.3 Определение расхода воздуха и степени двухконтурности двигателя АИ-25.

3.4 Определение степени повышения давления и коэффициента запаса устойчивости двигателя ТВ2-117.

3.5 Определение нагрева газа в камере сгорания.

3.6 Движение реального газа в трубе постоянного сечения.

3.7 Перспективы использования метода измерения.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование газодинамического метода измерения параметров для задач управления ВРД»

Чтобы управлять, надо уметь измерять» [8]. Эти слова Д.И. Менделеева остаются актуальными и в наше время. Управление сложными технологическими и рабочими процессами, в том числе и при управлении элементами силовой установки (СУ) летательных аппаратов (ЛА), оптимальными по тем или иным критериям СУ в целом, интегрированного управления СУ и ЛА, требует объективной, быстрой, точной, адекватной информации о состоянии СУ и рабочем процессе, происходящем в ней.

Прогресс в развитии управления всем комплексом СУ определяется развитием методов получения и обработки измерительной информации, то есть информации о всех необходимых параметрах, на основании которых можно сделать вывод об оптимальности работы элементов и СУ в целом. Для измерения параметров при управлении элементами СУ ЛА используются разнообразные физические параметры, выбор которых определяется спецификой управляемого объекта, задачами систем регулирования и диагностирования. Измерение этих параметров осуществляется с требуемой точностью (статической и динамической), используя при этом различные физические законы и явления. Как правило, измеряемый физический параметр претерпевает несколько промежуточных преобразований из одной физической величины в другую, ухудшая при этом точность измерения.

При выборе программы регулирования или системы диагностирования исходят из целевого назначения ЛА, в котором используется данная СУ, и формируется в виде потребного протекания показателей эффективности работы СУ по условиям эксплуатации [15]. К числу таких показателей относятся тяга двигателя (Р) или мощность (N), удельный расход топлива (с^), температура газа перед турбиной (т*), запасы газодинамической устойчивости (ДКУ) и другие параметры, по которым можно оценивать эффективность работы СУ в реальных условиях полета. Особенно актуальным является измерение этих параметров при разработке интегральных систем управления, интенсивная работа над которыми ведётся в России и за рубежом [3]. Непосредственное измерение этих параметров в полете затруднено или вообще невозможно при современных методах измерения. Естественно, что при стендовых исследованиях, при имитации полетных условий в баро-термо камерах, на летающих лабораториях, имеется возможность установить все необходимые связи в численном выражении. Однако в реальных конструкциях при совершении полета вынуждены ограничиваться лишь небольшим набором измеряемых параметров.

Это прежде всего частота вращения ротора (вентилятора, компрессора, свободной турбины), которая может быть быстро, точно и надежно измерена различными способами. Сигнал от изменения частоты вращения легко трансформируется в гидравлический, электрический (аналоговый, частотный или импульсный) сигналы. Кроме того, этот параметр в большей степени характеризует физическую и тепловую нагрузку двигателя.

Измерения расхода топлива (основного, форсажного), представленного в виде частоты вращения ротора турбинного расходомера (семейства ДР), также не вызывают принципиальных трудностей. Измерения положения РУД, поворотных статорных лопаток, створок реактивного сопла и т.д. обеспечиваются различными способами и не вызывают больших трудностей.

Наибольшая проблема заключается в измерении газодинамических параметров, характеризующих рабочий процесс (скорость потока, давление, температур). Методы, применяемые при этом, определяются требованиями к статическим и динамическим характеристикам системы измерений с учетом гарантированной надежности работы в течение срока эксплуатации. В настоящее время в СУ измерению подлежат следующие параметры воздушно-газового потока: т„ - температура воздуха на входе в двигатель;

Р^ - давление (полное) воздуха на входе в вентилятор;

Р* - давление (полное) воздуха на выходе из вентилятора;

Рк" давление (полное) на выходе из компрессора;

Рт - давление газа на выходе из турбины;

Тт* - температура газа на выходе из турбины;

Pt- давление (статическое) в сечении среза реактивного сопла. Некоторые давления измеряются в сверхзвуковом воздухозаборнике, обеспечивая принятую программу регулирования.

Эти параметры, а также их комплексы (я£, и др.) или функциональные зависимости используются в управлении элементами СУ в соответствии с заложенными программами регулирования. Программы регулирования разрабатываются двигателистами и позволяют косвенно реализовать квазиоптимальные условия работы СУ при стандартных условиях окружающей среды. Но выходные параметры СУ (тяга, температура газа перед турбиной и др.) не измеряются в полёте и поэтому системы регулирования, применяемые в летной практике на отечественных и зарубежных СУ, представляют собой разомкнутые системы с неустановленными погрешностями при нестандартных условиях полета. Для реализации замкнутой системы управления необходимо обеспечить количественное измерение желаемого параметра. Даже если этот параметр известными физическими методами не измеряется, то необходимо искать способы количественного измерения этого параметра косвенными методами.

Таким образом, косвенное измерение параметров позволяет создать замкнутую систему управления по заданному параметру с вполне определенной точностью регулирования. При этом большое значение имеет алгоритмическое и программное обеспечение работы бортовой ЭВМ для расчета и "анализа как исходной информации, так и количественного определения желаемого параметра.

Поэтому диссертация посвящена проблеме косвенного определения различных газодинамических параметров силовой установки.

В I главе предлагается и обосновывается метод косвенного определения параметров, основанный на данных измерений статического давления. Этот метод предложен впервые в практике двигателестроения и может быть использован для измерения параметров любого потока, заключенного в канале.

Во II главе проводится экспериментальная проверка предлагаемого метода. В частности, на базе математической модели системы измерения параметров сделан анализ ожидаемых погрешностей при различных вариациях измерений. Здесь также приводятся различные примеры экспериментального использования рассматриваемого метода и алгоритмы его применения для различных элементов СУ.

В III главе приводятся предложения по практическому использованию предлагаемого метода с дальнейшей возможностью формирования оптимальных программ управления элементами СУ, обеспечивающие замкнутое регулирование по любому желаемому параметру.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Перелыгин, Сергей Сергеевич

Выводы.

1. Разработан и обоснован новый метод определения газодинамических параметров воздушно-реактивных двигателей с использованием измерения отношения статических давлений. Метод имеет связь с существующим методом (по отношению статического и полного давлений), и их сочетания позволяют расширить возможности экспериментальной отработки газодинамических параметров потока.

2. Предложены методики определения неизмеряемых в настоящее время параметров двигателя в полёте по измеренным отношениям статических давлений и отношениям площадей, в которых проводятся измерения давлений.

3. Разработаны методики выбора расстояний между сечениями, в которых проводятся измерения, исходя из условия минимизации возможных погрешностей.

4. Разработана математическая модель системы измерения, позволяющая:

- определить относительную скорость потока в интересующих сечениях по измеренным статическим давлениям;

- вычислить погрешности полученных параметров при заданных погрешностях датчиков;

- определить неизмеряемые параметры двигателя (расход воздуха, запас газодинамической устойчивости, тяга двигателя и.т.д).

5. Впервые разработана диаграмма возможных течений потока в канале между мерными сечениями, которая позволяет определить вид течений потока, исходя из отношения площадей мерных сечений и отношения статических давлений, измеряемых в них.

6. Проведённая оценка погрешностей предлагаемого метода показала, что полученные погрешности метода близки к погрешностям существующего метода в диапазоне дозвуковых скоростей, но имеет преимущества при малых дозвуковых и сверхзвуковых скоростях.

7. Предлагаемый метод измерения был проверен на расчётных задачах и на ряде установок при определении различных параметров двигателя и его элементов. Сравнение с традиционным методом отработки показывает на незначительные отличия в результатах (менее 1%).

8. Разработанный метод может найти применение в других отраслях техники, где необходимы измерения газодинамических параметров потока газа или жидкости в каналах произвольного профиля.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Перелыгин, Сергей Сергеевич, 2004 год

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика, М.: Наука, 1976.

2. Вьюнов С.А., Гусев Ю.И., Карпов А.В. и др. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей/ Под общ. ред. Хронина Д.В. М.: машиностроение, 1989.

3. Гуревич О.С., Гольдберг Ф.Д., Селиванов О.Д. Интегрированное управление силовой установкой многорежимного самолёта/ Под ред. Гуревича О.С. М.: Машиностроение, 1993.

4. Датчики теплофизических и механических параметров/ Под общ. ред. Коптева Ю.Н. в 3х т. М.: Радиотехника, 1998.

5. Идельчик И.Е. Гидравлические сопротивления. М.: Госэнергоиздат, 1954.

6. Литвинов Ю.А., Боровик В.О. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных турбореактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1978.

7. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973.

8. Менделеев Д.И. Полное собрание сочинений. Т. 22. Метрологические работы. Л.: Химтеориздат, 1950.

9. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники: Учеб. Для ВУЗов по спец. «Информационно-измерительная техника». Киев: Вища шк., 1983.

10. Персии С.М. Основы теории и проектирования автоматических измерительных систем. Л.: Гидрометеоиздат, 1975.

11. Петунии А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока (приёмники давления и скоростного напора). М.: Машиностроение, 1972.

12. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1976.

13. Уколов И.С., Бек В.В., Махлин А.Р. Интегрированные системы активного управления. М.: Наука, 1986.

14. Цветков Э.И. Основы теории статических измерений . Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1986.

15. Черкасов Б.А. Автоматика и регулирование воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1988.

16. Чёрный Г.Г. Газовая динамика. М.: Наука, 1988.

17. Югов O.K., Селиванов О.Д., Дружинин Л.Н. Оптимальное управление силовой установкой самолёта. М.: Машиностроение, 1978.

18. Теория автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов/ Под ред. Шевякова А.А. М.: Машиностроение, 1976.

19. Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей/ Под ред. Шляхтенко С.М. М.: Машиностроение, 1987.

20. Акимов В.М. Некоторые вопросы испытания ВРД. М.: Изд-во МАИ, 1964.

21. Батенин А.В., Перелыгин С.С. Международная научная конференция. Двигатели XXI века. Москва, 5 7 декабря 2000г. Сборник тезисов. - М.: типография ЦИАМ, 2000г.

22. Батенин А.В., Перелыгин С.С. Четвёртая Международная научно-техническая конференция. Чкаловские чтения. Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники. Сборник материалов. Егорьевск.: ЕАТК ГА, 2002.

23. Запорожец А.В. Методы решения задач оптимизации структуры и параметров ИИС: Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 1982.

24. Информационно-измерительные системы и их использование в управлении летательным аппаратом: Межвуз. Сб. науч. тр. / Ленингр. ин-т авиац. приборостроения; Под ред. В.М. Кушуля. -Л.: ЛИАП, 1988.

25. Киллих В.Е. Автоматизация эксперимента: Измерения. Сбор и обработка информации. Учебное пособие. М.: 1984.

26. Медведев С.Б. Моделирование измерительных преобразователей и систем: Учебное пособие/ МАИ им. С. Орджоникидзе. М.: 1994.

27. Степчков А.А. Задачи по гидрогазодинамике. М.: Изд-во МАИ, 1974.

28. Черноморский B.C., Вершинин М.П., Зазулов В.И. Проектирование систем автоматического управления ГТД/ Под ред. Зазулова В.И. -М.: Изд-во МАИ, 1994.

29. Элементы систем сбора и обработки данных, гл. ред. Чернявский Е.А. Л.: ЛЭТИ, 1987.

30. Методика решения задач по курсу «Теория измерительно-информационных систем». Методические указания для проведения упражнений и самостоятельной работы студентов. Сост. Овчинников О.В. Л.: 1989.

31. Теория информационно-измерительных систем: программа и метод. Указания для студентов вечерн. Формы обучения/ Иванов Ю.П., Овчинников Л.А., Полубояров В.М. Л.: 1984.

32. Библиотека электронных компонентов. Выпуск 11: Датчики давления фирмы SenSym. М.: ДОДЭКА, 2000.

33. Библиотека электронных компонентов. Выпуск 15: Датчики фирмы «Honeywell». М.: ДОДЭКА, 2000.

34. Датчики измерительных систем/ Аш Ж., Андре П., Бофрон Ж. и др.; Пер. с фр. под ред. Обухова А.С. М.: Мир, 1992.

35. Панфилов Д.И., Иванов B.C. П 01 Датчики фирмы MOTOROLA. -М.: ДОДЭКА, 2000.

36. ГОСТ Р ИСО 5725-4-2002 «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений». Дата введения в действие 1 ноября 2002г.

37. Ray R., Myers I. Test and Evaluation of the HIDEC Engine uptrim Algorithm/ Paper AIAA, 1986.