Автореферат (Оптимизация структуры системы управления топливопитанием многосвязного авиационного двигателя)

На правах рукописиКоролев Виктор ВладимировичОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯТОПЛИВОПИТАНИЕМ МНОГОСВЯЗНОГО АВИАЦИОННОГОДВИГАТЕЛЯ05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигателии энергоустановки летательных аппаратовАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2013Работа выполнена в федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Московский авиационный институт (национальный исследовательскийуниверситет)».Научный руководитель:кандидат технических наук, доцент,Картовицкий Лев ЛеонидовичОфициальные оппоненты:Мельник Валерий Иванович,доктор технических наук, старшийнаучный сотрудник, ОАО ГНЦ "Летноисследовательский институт им.

М.М.Громова", главный научный сотрудникКоршенко Валерий Николаевич,кандидат технических наук, доцент,ОАО "Климов", главный научныйсотрудникВедущая организация:ОАО «Компания «Сухой» – филиалОАО «Компания «Сухой» «ОКБСухого»Защита состоится «16» декабря 2013 г. в 13 часов на заседаниидиссертационного совета Д212.125.08, созданного на базе федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшегопрофессионального образования «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)», по адресу:125993, г.Москва A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.

4С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшегопрофессионального образования «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)».Автореферат разослан «»Ученый секретарь диссертационногосоветадоктортехническихнаук,профессор2013 г.Ю.В.ЗуевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыПомересовершенствованияавиационнойтехникивопросыоптимального управления самолета и режимами работы силовой установкистановятся все более актуальными и наукоёмкими. Многосвязноеуправлениедвигателемдвухконтурнойсхемы(ТРДД)необходимоосуществлять таким образом, чтобы обеспечить наилучшие тяговые иэкономическиепоказателивполномдиапазонережимовеефункционирования и условий полета.Для боевых маневренных самолетов тяговооруженность является егоодним из важнейших показателей.

Высокий показатель тяговооруженностиозначает лучшую динамику маневренного самолета и меньшее времянабора продольной скорости при увеличении тяги силовой установки.Поэтому для обеспечения конкурентоспособности к силовым установкамперспективных маневренных самолетов предъявляются более жесткиетребования по времени приемистости двигателя, что обеспечиваетсяоптимизацией законов управления многосвязной системы автоматическогоуправления(САУ)сучетомограничений,накладываемыхнаэксплуатационные режимы функционирования силовой установки.Целью исследований диссертационной работы является:-разработкаоптимальнойструктурымногосвязнойСАУперспективной силовой установки, алгоритмов ее функционирования ианализ работы многосвязной САУ, обеспечивающей для перспективногодвигателя пятого поколения заданное требование по минимизации времениприемистости.

Данное требование должно удовлетворять ограничению неболее 3 секунд, а алгоритмы синтеза законов управления должныучитывать весь спектр нелинейных особенностей газодинамических итепловых процессов элементов силовой установкойПрименение цифровых систем автоматического управления длягазотурбинныхдвигателейвсравнении3сгидромеханическимииэлектронно-гидромеханическимисистемамипозволяетповыситьэффективность силовой установки путем применения гибких алгоритмовуправления. В этой связи такой показатель, как малое время приемистости,без создания многосвязной САУ, позволяющей учитывать векторэксплуатационных ограничений для силовой установки маневренногоистребителя, не представляется возможным.Исследования и их практическое воплощение, направленные наразработку новых оптимальных алгоритмов управления многосвязнойСАУ, управляющей режимами приемистости и сброса газа ТРДД с учетомэксплуатационных ограничений, являютсяактуальными в связи снеобходимостью оптимизации переходных режимов по мере выявленияновых динамических особенностей объекта управления.Цель и задачи работыЦелью диссертационной работы является разработка структурымногосвязнойСАУисинтезпозволяющихуменьшитьоптимальныхвремяприемистостизаконовТРДДФуправления,сучетомограничений, предъявляемых к элементам и топливной системе двигателя.Для достижения поставленной цели в работе необходимо решитьследующие задачи:1.Выполнитьанализсуществующихсовременныхтребованийкрежимам полетного и земного малого газа (ПМГ и ЗМГ) и качествууправления динамическими режимами ТРДД.2.Выполнить анализ существующих работ в области многосвязногоуправлениядинамическимипроцессамисиловойустановки,реализующих минимизацию времени приемистости.3.Выполнить анализ свойств ТРДД как объекта управления: егогазодинамическиепереходныхособенностирежимах,аидинамическиетакже4особенностисвойстваврежимовфункционирования и структуры системы топливопитания, связанной сгазодинамическими и тепловыми процессами объекта управления.4.Сформулировать ограничения, которые необходимо учитывать присинтезе законов управления и оптимизации структуры САУ.5.Сформулировать критерии выбора оптимальных вариантов длязаконов управления, реализуемых в оптимальной структуре САУ.6.Синтезировать законы и оптимизировать структуру многосвязногоуправления с учетом значимых управляющих факторов.

В этой связиоптимизация структуры и взаимодействие контуров управленияпредполагает решение нижеперечисленных задач:синтез закона подачи топлива в основную камеру сгорания(ОКС);синтез закона управления углом установки направляющихаппаратов (НА) компрессора высокого давления (КВД);синтез закона управления давлением топлива перед дозаторамитоплива ОКС.7.синтез распределенной структуры системы топливопитания.Выполнитьанализэффективностиуправлениядинамическимирежимами, устойчивости и робастности разработанной САУ сиспользованием натурного эксперимента.Методология и методы исследованияДля решения поставленных в работе научных задач использовалисьтеория газотурбинных двигателей, методы системного анализа, методыклассическойисовременнойтеорииавтоматическогоуправления,многомерных САУ, цифровых САУ, методы идентификации объектовуправления,современныекомплексымоделирования динамики двигателя.5прикладныхпрограммНаучная новизнаВыполнен синтез структуры системы многосвязного управлениямеханизацией компрессора и топливопитания и оптимизация законовтопливоподачи с учетом эксплуатационных ограничений для узлов ТРДД иидентифицированных особенностей ускорения роторов в динамическихрежимах с целью минимизации времени приемистости.Разработаны алгоритмы управления, обеспечивающие динамическиехарактеристики системы в заданной области эксплуатации с учетомдеградации основных узлов двигателя в процессе выработки ресурса.На защиту выносятся1.Методикасинтезаобеспечивающихдинамическомузаконовуправлениявыполнениекачествутопливнойтребований,ТРДДвобщейсистемой,предъявляемыхструктурексистемыуправления, и газодинамических ограничений.2.Структура многосвязной распределенной САУ, позволяющей достичьжелаемого времени приемистости двигателя при сохранении запасовгазодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора и устойчивостигорения в ОКС и с учетом ограничений по нагрузкам на узлыдвигателя.3.Метод идентификации динамических свойств двигателя с учетомособенностей его разгонных характеристик.4.Законыдинамическогораспределениярасходатопливапоколлекторам ОКС в зависимости от режима работы ТРДД.5.Законы управления насосом переменной производительности с учетомособенностей распределенного дозирования топлива в камерысгорания.6.Алгоритмическиерешения,реализованныевпрограммно-математическом обеспечении цифрового блока управления ТРДД.7.Результаты экспериментальной отработки разработанной САУ ТРДД.6Практическая полезность и реализация результатовРазработки многосвязной САУ переходными режимами двигателяприменяются в ОКБ им.

А. Люльки для создания распределенной САУперспективным авиационным ТРДДФ.Реализованныеструктурныерешенияпозволилиисключитьиндивидуальную настройку параметров САУ для обеспечения заданныхдинамических качеств ТРДД.Полученные алгоритмы и структура реализованы в САУ ТРДДФ,разработанной в ОКБ им. А.

Люльки, и в настоящий момент проходятопытную летную эксплуатацию.Достоверность и обоснованность результатов достигаетсяДостоверность положений, результатов и выводов, содержащихся вдиссертационной работе, подтверждается:Адекватностьюэкспериментальныхданныхданныммоделирования динамики системы на основе динамическоймодели ТРДД, используемой в ОКБ им. А. Люльки.Стендовыми испытаниями и испытаниями в составе летныхобъектов.

Собрана и обработана статистика по значительномуколичеству двигателей во всей области эксплуатации силовойустановки, в том числе статистика для периода наработки впределах заданного ресурса.Подтверждена робастность разработанных законов управления иструктуры цифровой САУ (ЦСАУ) к отклонениям параметровобъекта управления и характеристик агрегатов САУ.Апробация работы и публикацииОсновным результаты работы докладывались и обсуждались наследующих конференциях:7-IIIмеждународнаяНаучно-ТехническаяКонференция«Авиадвигатели XXI века», ЦИАМ, Москва 2010.-Московскаямолодёжнаянаучно-практическаяконференция«Инновации в авиации и космонавтике – 2012», МАИ, Москва2012.По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатныхработ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК; получено 3патента.Личный вклад автораАвтором были разработаны:методы исследования объекта и анализ динамических особенностейразгонной динамики двигателя,структурные решения многосвязной САУ переходными режимами, атакже систем управления подачей топлива и положением НА КВД,алгоритмы реализации структурных решений в цифровой САУ ТРДДи программно-математическое обеспечение (ПМО) цифрового блокаСАУ ТРДДФ.Автор принял участие во внедрении структурных решений на всехэтапах разработки и доводки системы управления опытного двигателя.Структура и объем работыДиссертация изложена на 134 страницах и включает в себя 73иллюстраций и 21 таблицу.

Работа состоит из введения, четырех глав,выводов, списка используемой литературы.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВовведениидиссертационнойпредставленоработы,обоснованиеформулируются8актуальностизадачитемыисследования,отмечается научная новизна и практическая значимость полученныхрезультатов.Впервойглавепроведенанализсуществующихспособовдинамическими режимами ТРДД.При обзоре способов управления проведен анализ отечественного изарубежного опыта в области исследований процессов и системуправлении основным контуром ТРДД, а также научно-технических работпо данному направлению в отечественном двигателестроении.Анализ состояния проблемы управления динамическими режимамипоказал следующее:– зарубежные фирмы ведут теоретические и экспериментальныеисследовательские работы по созданию многосвязных систем управленияосновным контуром с применением цифровых регуляторов.