С помощью разработанной методики определяются настройки регулировочных элементов автоматики двигателя и выдаются рекомендации по отладке. Для этого параметры отлаживаемого двигателя, полученные во время предшествующих испытаний, при помощи АСКИ предприятия передаются в ИМ двигателя со среднестатистическими параметрами.

Система автоматически производит идентификацию – приводит ИМ в соответствие с реальным объектом на режимах максимал (М), полный идентифицировать по результатам нескольких переходных процессов (например, включения форсажа и выхода на ПФ), полученных в результате испытаний. После идентификации двигателя и его автоматики проводится моделирование различных переходных режимов: М – минимальный форсаж (МФ), М – ПФ, малый газ – ПФ. В результате моделирования получаются различные установившиеся режимы и переходные процессы, исходя из которых, согласно используемой на предприятии методике, выдаются конкретные рекомендации по необходимым настройкам автоматики ТРДДФ (первый способ отладки). По данным рекомендациям необходимо настроить автоматику отлаживаемого двигателя и произвести повторные испытания двигателя на стенде. Данный способ подразумевает включение модели двигателя и его автоматики в процесс ПСИ в серийном производстве, в котором отладка двигателя (с ошибками, возникающими по существующей методике) происходит сначала при помощи компьютерной модели, а затем все настройки автоматики из ИМ переносятся на двигатель.

Возможен второй способ отладки двигателя при помощи разработанной СИМ – сравнение протекания переходных процессов в моделях среднестатистического отлаженного и отлаживаемого двигателя.

Программа определяет, какие настройки автоматики надо произвести, чтобы из отлаженного по среднестатистическому полю допуска двигателя получить отлаживаемый двигатель. После повторения всех необходимых регулировок на двигателе рекомендуется повторить испытания ГТД с целью контроля нахождения параметров двигателя в поле допуска.

Третий способ отладки требует (после получения индивидуальной модели двигателя) провести расчет переходных процессов со всеми допустимыми настройками автоматики (путём последовательного перебора всех возможных регулировок). Затем производится выбор переходного процесса, наиболее близко совпадающего с переходным процессом неотлаженного двигателя, и переходного процесса, соответствующего отлаженному двигателю. Различия в настройках отлаженного и неотлаженного двигателя являются необходимыми регулировками для отладки.

Первый способ более перспективен из-за его универсальности, однако для повышения точности прогнозов необходимы дополнительные данные о характеристиками), увеличение числа измеряемых параметров. Данный способ сложный, требует высокой квалификации оператора, проводящего расчёты и настройки. Второй способ не является универсальным, так как некоторые настройки автоматики нельзя произвести на реальном двигателе (например, в связи с ограничениями по максимальной частоте вращения роторов, температуре газов перед турбиной и т.д.). Третий способ является наиболее трудоёмким и требует больших затрат времени, при должной автоматизации не требует присутствия человека. Во втором и третьем способе имитационной модели не нужны непосредственные значения текущих настроек регулировочных элементов, так как в конечном итоге в качестве рекомендаций программа выдаёт приращение регулировок. В случае превышения рекомендованными регулировками заданных конструкцией пределов необходимо или заменять весь агрегат, или использовать альтернативные регулировки, приводящие к нужному результату.

При используемой в настоящее время в серийном производстве методике отладки двигателя, в случае неоптимальной настройки основного контура, может сложиться такая ситуация, что обычными методами автоматику форсажного контура отладить невозможно. Чтобы это определить, необходимо провести полный цикл настроек, а затем убедиться, что они не приносят положительного эффекта. При помощи системы DVIG_OTLADKA и предложенной методики отладки подобных ситуаций можно избежать и заранее (после идентификации) оценить качество отладки основного контура.

На рисунке 6 приведена методика (алгоритм) информационной технологии отладки САУ ТРДДФ в виде IDEF-диаграммы.

Рисунок 6 – Информационная технология отладки динамических процессов Для повышения адекватности моделирования процессов, происходящих в ФКС ТРДДФсм, в СЭ «Форсажная камера» был введён учёт осреднённых характеристик границ устойчивого горения и воспламенения для V-образных стабилизаторов. В программном комплексе ANSYS 11.0 CFX проведено трёхмерное численное моделирование процесса горения в ФКС (рисунок 7). Полученные характеристики (рисунок 8) позволяют более подробно исследовать переходный процесс включения форсажа, проводить расчёты с большей точностью и определять влияние предварительного раскрытия створок РС на розжиг и горение в ФКС.

Рисунок 7 – Изоповерхность полных температур 2200 К В третьей главе приведена разработанная методика получения индивидуальной модели двигателя по результатам предшествующих испытаний, приведён пример идентификации двигателя АЛ-31Ф, показана возможность интеграции со SCADA-системой LabVIEW и возможность моделирования других типов двигателей.

Используемый в данной работе метод идентификации близок к методу наименьших квадратов (поскольку решатель СИМ использует алгоритмы оптимизации для минимизации «невязок» в условиях, задаваемых в условиях моделирования). Исходя из данного метода, необходимо выбрать варьируемые параметры, сформировать невязки (составить систему уравнений – условий расчёта) и осуществить процедуру сведения невязок (решить систему уравнений – условий расчёта). За счет уточнения значений коэффициентов, характеризующих элементы газовоздушного тракта, минимизируются невязки между одноименными параметрами, полученными расчетом по ИМ и экспериментальным путем.

Схема методики получения индивидуальной модели двигателя в СИМ DVIG_OTLADKA состоит из пяти этапов (рисунок 9).

На первом этапе данные с испытаний на режиме М передаются на вход соответствующих СЭ в модель двигателя, настроенного на среднестатистические параметры. При этом должны выполняться условия моделирования, приведённые в таблице 2. Кроме перечисленных в таблице 2, внутри соответствующих СЭ выполняются алгоритмы подбора следующих величин: ТНД ; ТНД обр ; ТВД ; * обр ; * обр ; µ РС ; АТНД обр ; АТВД обр ; * обр ; * обр ;

ТНД ТВД КНД КВД

В случае превышения (или занижения) варьируемыми величинами определённых значений (установленных для каждого СЭ по результатам статистического анализа серийно изготавливаемых двигателей) система выдаёт сообщение об ошибке. Идентификацию следует проводить при других (варьируемых) значениях следующих величин: ВУ; Т охл; ТВД обр ;

мех. ТНД ; мех. ТВД подбираются автоматически в ходе идентификации, они названы «свободными»).

Второй этап рассчитывается без условия расчёта. Он необходим для того, чтобы соответствующие СЭ получили подобранные на первом этапе варьируемые данные.

На третьем этапе должны выполняться условия моделирования, приведённые в таблице 3. Значения всех варьируемых параметров (так же как и на первом этапе) записываются в специальный файл, из которого эти значения присваиваются на вход соответствующих СЭ на четвёртом этапе.

Одновременно с идентификацией СЭ двигателя происходит и частичная идентификация автоматики. СЭ «Регулятор» получает необходимую для регулирования информацию: *Т, nКВД const, nКНД max, nКВД max, TГ*ОКС max, Fс.кр.min, Fс.кр.max, GТ ОКС, GТ ФКС.

Рисунок 9 – Схема получения индивидуальной ИМ двигателя и его автоматики Таблица Варьируемые параметры Поддерживаемые параметры На пятом этапе проводится настройка автоматики по результатам расчёта различных переходных процессов (например, М-ПФ). Аналогично третьему способу отладки перебираются входные параметры СЭ «Регулятор»

(влияющие колебательные и дифференцирующие постоянные времени элементов двигателя и автоматики, с целью совпадения протекания переходного процесса двигателя и результатов моделирования (расчет поля всех возможных «разрешённых» настроек автоматики). Результатом пятого этапа является динамическая модель двигателя и его автоматики на исследуемых режимах.

Подобным методом были получены индивидуальные ИМ большого числа двигателей на установившихся режимах. Из них 76 % двигателей были идентифицированы в автоматическом режиме, 20 % двигателей были идентифицированы при помощи изменения (в поле допуска) «свободных»

параметров, 4 % двигателей данным методом идентифицировать не удалось (варьируемые величины выходят из поля допустимых значений). Возможные причины этого: недостаточно информации об узлах двигателя (наличие «свободных» параметров при получении индивидуальной модели);

неточность информации (погрешности измерений).

В четвёртой главе приведены результаты расчётов переходных процессов с различными вариантами настроек автоматики.

В СИМ DVIG_OTLADKA на индивидуальной модели одного из двигателей АЛ-31Ф проведён расчёт переходного процесса М-МФ-ПФ, показывающий возможности расчёта процесса включения форсажа и выхода на ПФ (рисунок 10). Проведён расчёт переходного процесса М-ПФ, сопровождающийся помпажом КНД.

Проведено моделирование переходных процессов различными динамическими характеристиками регуляторов, датчиков, качающих узлов, коллекторов, гидроцилиндров РС.

Показано, как различными настройками параметров СЭ «Регулятор»

можно изменять характер переходного процесса, отлаживать двигатель.

Произведён расчёт переходного процесса М-ПФ и сравнение результатов расчёта с экспериментальными данными. Результаты расчёта совпадают с осциллограммой переходного процесса: относительная погрешность расчёта по частотам вращения роторов составляет не более 0,5 %, абсолютная погрешность температуры за турбиной 5 К, относительная погрешность при расчёте площади критического сечения реактивного сопла не более 7 %.

Приведён пример отладки двигателя АЛ-31Ф при ПСИ. Согласно проведённому исследованию, использование данной методики при ПСИ в серийном производстве приводит к сокращению расхода топлива на 6 %, сокращению времени ПСИ на 6 %, сокращению числа выходов на форсажные режимы на 36 %, сокращению числа запусков на 20 %.

Рисунок 10 – Изменение параметров двигателя

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

2. Разработана компьютеризованная методика отладки автоматики ТРДДФ по результатам предшествующих испытаний, интегрированная в ПСИ в серийном производстве. Предложены различные способы отладки двигателя при ПСИ, позволяющие отлаживать двигатель с различными отклонениями от нормы. Методика позволяет уменьшить долю субъективного фактора при отладке двигателя.

3. Разработана методика получения индивидуальной ИМ ТРДДФ и его автоматики в разработанной системе DVIG_OTLADKA по результатам испытаний. Данная методика позволяет получать индивидуальные модели двигателей. Согласно проведённому исследованию, в автоматическом режиме удаётся получить около 76 % индивидуальных моделей двигателя.

Оставшиеся 24 % индивидуальных моделей двигателей получаются в автоматизированном режиме. Погрешность при получении индивидуальной модели двигателя и его автоматики на режимах М и ПФ составляет доли процента. Наибольшая погрешность (около 3 %) – по площади критического сечения РС.

4. Разработаны алгоритмы элементов автоматики (система отключения охлаждения турбины, противопомпажная система, система розжига, система подачи топлива, система управления реактивным соплом и т.д.), доработаны алгоритмы расчета основных узлов ТРДДФ (отбор газа, воздухо-воздушный теплообменник, турбина, компрессор, ФКС и т.д.).

5. Проведена экспериментальная проверка эффективности методик и системы моделирования DVIG_OTLADKA на примере отладки ТРДДФ (АЛ-31Ф). Проведены расчёты нескольких переходных режимов, происходящих при ПСИ в серийном производстве. Проведено сравнение протекания переходного процесса, происходящего в ТРДДФ, и результатов расчёта. Данные исследования показывают, что относительная погрешность по частотам вращения роторов при моделировании составляет не более 0,5 %, абсолютная погрешность температуры за турбиной 5 К (с учётом инерционности термопары), наибольшая относительная погрешность – при расчёте площади критического сечения РС (в переходном процессе она достигает 7 %). Согласно проведённому исследованию, использование данной методики при ПСИ в серийном производстве приводит к сокращению расхода топлива на 6 %, сокращению времени ПСИ на 6 %, сокращению числа выходов на форсажные режимы на 36 %, сокращению числа запусков на 20 %.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Использование имитационного моделирования для оптимизации отладки форсажного контура ТРДДФ при приемо-сдаточных испытаниях / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов, И. А. Кривошеев, Е. С. Власова // Вестник УГАТУ. – Уфа: УГАТУ, 2006. – т.7, №3 (16) серия ”Машиностроение”. – С.136–141.

2. Получение и использование характеристик компрессоров при моделировании ГТД и ЭУ/ А. Е. Кишалов, И. А. Кривошеев, Д. А. Ахмедзянов // Вестник УГАТУ. – Уфа: УГАТУ, 2006. – т.7, №3 (16) серия ”Машиностроение”. – С.64 –71.

3. Отладка автоматики форсажного контура газотурбинного двигателя ПРИ приемо-сдаточных испытаниях / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов, И. А. Кривошеев // Мехатроника, автоматизация, управление. – Москва, 2006.

– №11. – С.35 – 40.

4. Информационная технология отладки динамических процессов в авиационных ГТД при приемо-сдаточных испытаниях / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов // Известия вузов. Авиационная техника. – Казань, 2007. – №3.

– С.26–31.

5. К вопросу об адекватности трёхмерного газодинамического моделирования ГТД в современных программных комплексах / А. Е. Кишалов, Д. А. Ахмедзянов // Вестник УГАТУ. – Уфа: УГАТУ, 2008. – т.10, №1 (26) серия ”Машиностроение”. – С.11–20.

6. Имитационное моделирование работы авиационных ГТД с элементами систем управления / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов, И. А. Кривошеев // Вестник УГАТУ. – Уфа: УГАТУ, 2008. – т.11, №2 (29) серия ”Машиностроение”. – С. 3–11.

7. Расчёты сложных геометрических моделей узлов авиационных ГТД в программном комплексе ANSYS CFX / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов // Вестник УГАТУ. – Уфа: УГАТУ, 2009. – т.13, №1 (34) серия ”Машиностроение”. – С.48–57.

8. Верификация расчёта процесса теплообмена в программном комплексе ANSYS CFX / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов // Вестник УГАТУ. – Уфа: УГАТУ, 2009. – т.13, №2 (35) серия ”Машиностроение”. – С.226–233.

9. Автоматизация процесса испытания авиационных ГТД на базе SCADA-системы LabView / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов, Р. Р. Ямалиев, А. В. Суханов // Вестник УГАТУ. – Уфа: УГАТУ, 2009. – т.13, №2 (35) серия ”Управление, вычислительная техника и информатика”. – С.61–69.

Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ Роспатента РФ 1. Ахмедзянов, Д. А. Система имитационного моделирования лопаточных машин в составе газотурбинных двигателей / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов, И. А. Кривошеев // Свидетельство №2006610257 Москва, Роспатент. – 2006.

2. Кишалов, А. Е. Система имитационного моделирования DVIG_OTLADKA / А. Е. Кишалов, Д. А. Ахмедзянов, И. А. Кривошеев // Свидетельство №2009610324 Москва, Роспатент. – 2009.

Публикации в других изданиях 1. Кишалов, А. Е. Динамическая поэлементная модель авиационных ГТД / А. Е. Кишалов, Д. А. Ахмедзянов, Е. С. Власова // XI ВНТК «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве».

– Нижний Новгород, 2004. – С.12.

2. Кишалов, А. Е. Проблемы моделирования запуска авиационных ГТД / А. Е. Кишалов, Д. А. Ахмедзянов // НТК "Рабочие процессы и технологии двигателей". – Казань: КГТУ, 2005. – С.210–212.

3. Кишалов, А. Е. Получение характеристик осевых компрессоров / А. Е. Кишалов, Д. А. Ахмедзянов // НТК “Современные проблемы расчета, проектирования и производства АТ”. – Уфа: УГАТУ, 2006. – т.2 – С.16–20.

4. Ахмедзянов, Д. А. Методология имитационного моделирования неустановившихся режимов работы авиационных ГТД / Д. А. Ахмедзянов, Е. С. Власова, Кишалов А. Е. // Международная НТК “Проблемы и перспективы развития двигателестроения”. – Самара: СГАУ, 2006. – С.180– 181.

5. Ахмедзянов, Д. А. Моделирование отладки автоматики форсажного контура ТРДДФсм / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов // НТК “Аэрокосмическая техника и высокие технологии”. – Пермь: ПГТУ, 2006. – С.26.

6. Кишалов, А. Е. Совершенствование отладки динамических процессов в авиационных ГТД при испытаниях с использованием компьютерных технологий / А. Е. Кишалов // НТК “Зимняя школа аспирантов”. – Уфа: УГАТУ-УМПО, 2007. – С.21–27.

7. Ахмедзянов, Д. А. Методика «компьютеризированной отладки»

системы управления включения форсажа в ТРДДФ / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов // Всероссийская НТК «Аэрокосмическая техника и высокие технологии». – Пермь: ПГТУ, 2007. – С.30–32.

8. Кишалов, А. Е. Методика «информационной отладки» форсажной автоматики ТРДДФ / А. Е. Кишалов, Р. С. Халиуллин // Третья НТК молодых специалистов, инженеров и техников. – Уфа: ОАО УМПО, 2007. – С.117–118.

9. Кишалов, А. Е. Информационная технология отладки автоматики авиационных ГТД в серийном производстве / А. Е. Кишалов // Всероссийская НТК “Мавлютовские чтения”. – Уфа: УГАТУ, 2007. – т.1. – С. 32–33.

10. Кишалов, А. Е. Параметрическая идентификация математической модели ГТД в системе DVIGwp / А. Е. Кишалов, Е. С. Власова //Всероссийская НТК “Мавлютовские чтения”. – Уфа: УГАТУ, 2007. – т.1. – С.56–57.

11. Ахмедзянов, Д. А. Получение и использование характеристик осевых компрессоров при имитационном моделировании авиационных ГТД / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов, А. Б. Козловская // Сборник статей “75 лет УГАТУ”. – Уфа: УГАТУ, 2007. – С. 162–165.

12. Ахмедзянов, Д. А. Использование трёхмерного газодинамического моделирования для уточнения характеристик структурных элементов ГТД / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов // Всероссийская НТК “Мавлютовские чтения”. – Уфа: УГАТУ, 2008. – т.1. – С.57–58.

13. Кишалов, А. Е. Моделирование переходных процессов ТРДДФ для отладки форсажных режимов при приёмо-сдаточных испытаниях в серийном производстве / А. Е. Кишалов // Актуальные проблемы науки и техники.

Сборник трудов. – Уфа: УГАТУ, 2009. – т.2 С. 202–206.

14. Кишалов, А. Е. Автоматизация отладки авиационных ГТД при испытаниях / А. Е. Кишалов // Инновации молодых учёных - основа устойчивого развития регионов. Материалы международной заочной конференции. – Уфа: БашГУ, 2009. – С.191–192.

15. Ахмедзянов, Д. А. Моделирование переходных процессов ТРДДФ для отладки форсажных режимов при приёмо-сдаточных испытаниях в серийном производстве / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов // Международная НТК. – Самара: СГАУ, 2009. – 2. – С.130–131.

16. Ахмедзянов, Д. А. Моделирование форсажных режимов ТРДДФ / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов // Всероссийская НТК ”Мавлютовские чтения ”. – Уфа: УГАТУ, 2009. – т.1. – С.50–51.

17. Кишалов, А. Е. Моделирование работы выхлопной системы ГТП в СИМ DVIGwp / А. Е. Кишалов, Д. А. Ахмедзянов, А. Б. Козловская // Альманах современной науки. – Тамбов, 2009. – №6 (25) – С.12–17.

18. Ахмедзянов, Д. А. Получение индивидуальной модели авиационного двигателя / Д. А. Ахмедзянов, А. Е. Кишалов //Журнал “Молодой ученый”, Чита, 2009. – №11. – С.33–37.

моделирование процесса горения /А. Е. Кишалов, Д. А. Ахмедзянов, Д. Х. Шарафутдинов // Журнал “Молодой ученый”, Чита, 2009. - №12. – С.36-40.

КИШАЛОВ Александр Евгеньевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПРОЦЕССА ОТЛАДКИ ФОРСАЖНЫХ РЕЖИМОВ

ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ТРДДФ

АВТОРЕФЕРАТ

Усл. печ. л. 1,25. Усл. кр-отт. 1,25. Уч.-изд. Л. 1,0.

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса,