ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОТИВОПОМПАЖНОЙ СИСТЕМЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Помпаж газотурбинного двигателя – это представляющий значительные затруднения при рассмотрении многофакторный процесс, опасный для летательного аппарата. Явление помпажа развивается вследствие потери газодинамической устойчивости двигателя и сопровождается его сильными низкочастотными колебаниями, повышением температуры в двигателе и падением его тяги. Таким образом последствиями помпажа могут быть пожар, температурное или механическое повреждение авиадвигателя, и даже катастрофические последствия.

В настоящей работе для ликвидации помпажа и выведения двигателя на расчётный режим работы, учитывая сложность исследования и изучения рассматриваемой проблемы этого многофакторного процесса, для предотвращения наступления его негативных последствий, будет рассмотрена система стабилизации частоты вращения ротора, анализирующая превышение температуры за турбиной ТРД (Т₄), так как повышение температуры за турбиной выше расчётных значений является одним из факторов наличия помпажа [1, 2].

Структурные схемы управления частотой вращения вала в двигателе по оборотам и температуре показаны на рисунках 1 и 2 соответственно.  Их совместная работа возможна при объединении в систему управления частотой вращения вала двигателя, приведённую на рисунке 3.

Рисунок 1. Структурная схема управления по оборотам где РО – регулятор оборотов, ИУ – исполнительное устройство, УОД – управление оборотами двигателя, ДО – датчик оборотов

Продвигаясь далее стоит сказать, что нашей задачей является обеспечить работоспособность этой системы в условиях возникновения  явления помпаж.

Рисунок 2. Структурная схема управления по температуре, где РТ – регулятор температуры, ИУ – исполнительное устройство, УТД – управление температурой двигателя, ДТ – датчик температуры

Рисунок 3. Структурная схема стабилизации частоты вращения, анализирующая изменения температуры, где РО – регулятор оборотов, ИУ – исполнительное устройство, УОД – управление оборотами двигателя, ДО – датчик оборотов, РТ – регулятор температуры, ИУ – исполнительное устройство, УТД – управление температурой двигателя, ДТ – датчик температуры, СУ – сравнительное устройство

В состав системы размещено сравнительное устройство, задача которого заключается в выборе той системы, которой будет передано управление в текущий момент времени, в зависимости от действительной температуры за турбиной ТРД.  Это устройство сравнивает сигнал управления по температуре с заранее заданной уставкой и, при превышении этой уставки, переключает управление частотой вращения вала с канала управления по оборотам двигателя двигателя на канал управления по температуре двигателя, чтобы вернуть двигатель на расчётный режим его работы. Когда сигнал управления по температуре возвращается к значению ниже заданной уставки, управление возвращается каналу управления по оборотам двигателя. Далее мы смоделируем это устройство в программном пакете Matlab simulink и проследим успешность его работы и реализации подобной системы, в целом.

Корректировка температуры в приведённой системе осуществляется через коррекцию задающего воздействия, которое поступает на исполнительное устройство двигателя. В режиме работы по каналу оборотов канал температуры отключается и не мешает обычной работе системы.

Моделирование и исследование системы в MATLAB SIMULINK

При моделировании системы для её исследования, необходимо сформулировать математическую модель её основных элементов.

1. Передаточная функция двигателя по каналу частоты вращения вала низкого давления, с учётом сведений, приведённых в литературе [2]

                 (1)

где - коэффициенты усиления двигателя и регулятора; постоянные времени двигателя и регулятора.

Рассмотренный материал предлагает математическое описание двухвального ТРД (одновальный допускается описывать, с помощью передаточной функции канала частоты низкого давления). Поэтому далее будет использована именно эта функция.

2. Передаточная функция одновального ТРД по каналу температуры [2]

3. Передаточная функции датчиков , ,  [2].

Полученные имитационные модели, которые использовались для исследования работы каналов поддержки оборотов и температуры, показаны на рисунках 4 и 5. В качестве регуляторов задающего воздействия, подающегося на исполнительное устройство используются ПИД-регуляторы, коэффициенты которых были получены с помощью библиотеки Simulink Design Optimization, блока Signal Constraint, обеспечивающего подбор коэффициентов ПИД-регулятора, в зависимости от выбранного желаемого коридора возможных случаев системы.

Рисунок 4. Имитационная модель канала поддержки оборотов

Рисунок 5. Имитационная модель канала поддержки температуры

Далее показана комбинированная система, содержащая канал измерения температуры и оборотов.

Рисунок 6. Комбинированная система противодействия помпажным вибрациям

Вывод

Проведённые на имитационной модели исследования свидетельствуют о работоспособности предложенной системы противодействия явлению помпажа в газотурбинном двигателе летательного аппарата.

Список литературы:

1. Синяков А.Н., Шаймарданов Ф.А. – Системы автоматического управления летательными аппаратами и их силовыми установками: Учебник для студентов высших технических учебных заведений. – М.: Машиностроение, 1991. – 320 с.
2. Котовский В.Н., Комов А.А. Теория авиационных двигателей: учебное пособие (конспект лекций). – М.: МГТУ ГА, 2013. – Ч. 1. – 108 с.
3. Нечаев Ю.Н., Федоров Р.М. – Теория авиационных газотурбинных двигателей. Часть 1. 1977 г.  – М.: Машиностроение, 1977. — 312 с.
4. А. В. Рудаченко, Н.В. Чухарева, С. С. Байкин – Газотурбинные установки: учебное пособие – Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2008. – 139 с.