Диссертация (1026344), страница 13
Текст из файла (страница 13)
В связи с этим в модели реализовано два способа динамического задания момента сопротивления, соответствующие этим сферам применения двигателей.В случае моделирования энергетической установки тепловоза используется задание момента сопротивления в соответствии с текущим положениемконтроллера машиниста. Момент сопротивления ступенчато изменяется придостижении частотой вращения заданного значения.Для моделирования судового применения используется расчѐт моментасопротивления в соответствии с винтовой характеристикой. Используется полная мощность двигателя с необходимым запасом. При необходимости возможно проведение доработки модели для расчѐтов с использованием винта с регулируемым шагом.983.3. Компьютерная программа, реализующая математическую модельдизельного двигателяДля проведения расчѐтов была разработана компьютерная программа всреде MATLAB/Simulink.
Использование готовых блоков позволило увеличитьскорость расчѐта модели. Для ряда задач потребовалось реализовать собственные блоки. При этом использовались элементы Embedded Matlab Function дляформирования m-кода. Программирование больших задач в среде Simulinkподразумевает использование вложенных слоѐв, в разработанной программеиспользуются слои четырѐх уровней [102].Верхний уровень программы содержит процедуры обработки двух основных разделов: самой математической модели и визуального интерфейса. Наверхнем уровне также содержатся процедуры обработки управляющих элементов визуального интерфейса и вывода переменных в виде графиков и числовыхзначений. Внешний вид верхнего уровня программы показан на Рисунке 3.11.Рисунок 3.11. Верхний уровень программы99В связи с необходимостью создать удобный и интуитивно понятный инструмент для расчѐта процессов управления дизелем особый акцент был сделанна визуальной части интерфейса программной реализации математической модели (Рисунок 3.12).Рисунок 3.12.
Интерфейс компьютерной программыВ левой части окна интерфейса сгруппированы управляющие устройства.Основное пространство занимает устройство управления, позволяющее задавать текущий режим работы энергетической установки. В случае использования двигателя на тепловозе управляющее устройство представляет собой контроллер машиниста с шестнадцатью позициями (0-15), для судна это – задатчикчастоты вращения (от 300 об/мин до 1000 об/мин). Рядом расположен ряд переключателей для задания режимов функционирования системы управления.
Переключатель «Винт/Тепловоз» позволяет изменять формат задания момента сопротивления, соответственно для случая работы двигателя на привод судовоговинта или генератора в составе энергетической установки тепловоза. В режиме«Винт» функционирует верхний ползунок для плавного задания уставки по частоте вращения двигателя. Ниже расположен переключатель, отвечающий завид тепловозной характеристики. Правее размещены переключатели, позволяющие перейти к расчѐту установившихся режимов. При этом в математическую100модель поступают значения соответствующих констант, которыми можноуправлять на верхнем уровне программы. В нижней части расположены два переключателя, отвечающие за активацию управления турбонаддувом для каждого из турбокомпрессоров.
Рядом расположены индикаторы выхода на помпаж.В этой же части интерфейса размещѐн переключатель ограничения топливоподачи по величине коэффициента избытка воздуха для снижения дымности отработавших газов (пневмокоррекции).В средней части интерфейса приведены стрелочные индикаторы, отображающие частоту вращения, мощность, давления после компрессоров и передтурбинами, а также положение направляющих аппаратов турбин.В правой части интерфейса отображаются графики частоты вращения иуставки, а ниже – моментов двигателя и сопротивления. Графическая информация обновляется динамически и в процессе расчѐта появляется возможностьпринимать решения о режиме функционирования, исходя из текущих параметров двигателя, что приближает процесс работы с программой к работе с реальной энергетической установкой.Уровень задания основных элементов модели представлен на Рисунке3.13.
В соответствии со структурой математической модели на данном уровнепредставлены модули расчѐта поршневой части, двух турбокомпрессоров,впускного и выпускного трубопроводов, регулятора дизеля. Здесь же расположен модуль обработки начального приближения. Сами значения для начального приближения задаются на верхнем уровне в «маске» модели, доступной подвойному клику на изображении двигателя. Каждый из модулей имеет большое количество входов и выходов. Часть потоков обмена информацией оформлена в виде связей, другая часть – в виде туннелей системы «From-To».Следующий смысловой уровень модели представляет собой описаниекаждого элемента в соответствии с его дифференциальным уравнением.
В некоторых элементах содержатся дополнительные модули последнего, четвѐртогоуровня вложения, использованные для удобства отображения структуры модели. Наиболее интересный пример третьего уровня приведѐн на Рисунке 3.14.101На нѐм показан модуль расчѐта динамики турбокомпрессора. В данном элементе присутствуют два модуля для определения параметров турбины и компрессора, а также часть регулятора по формированию карты положений направляющего аппарата турбины.Рисунок 3.13. Уровень задания основных элементов моделиРисунок 3.14. Модуль расчѐта динамики турбокомпрессора1021033.4.
Формирование статических характеристик дизеля 12 ЧН 26,5/31Для рассматриваемого дизельного двигателя предусматривается использование разработанной комплексной системы управления с регулирующимивоздействиями на системы подачи топлива и турбонаддува. В связи с этим расчѐтное исследование проведено с учѐтом данного варианта функционированияСАУ.Первоначально параметры рабочего процесса дизеля для различных возможных сочетаний частоты вращения и крутящего момента на установившихсярежимах получены с помощью программы в среде Matlab/Simulink, основаннойна разработанной математической модели. Далее полученные параметры былииспользованы в качестве исходных данных и по ним проведѐн уточнѐнный расчѐт рабочего процесса дизеля на выбранных режимах работы по программе«Дизель-РК».Целью расчѐтного исследования было получение внешней скоростнойхарактеристики при различных условиях работы системы турбонаддува [103].Были рассмотрены следующие варианты работы турбокомпрессоров.
Первыйвариант соответствует работе дизеля с двумя нерегулируемыми турбокомпрессорами, второй – с одним нерегулируемым турбокомпрессором, третий вариант– работа с двумя турбокомпрессорами с управляемыми сопловыми аппаратами.Внешние скоростные характеристики дизеля для рассмотренных вариантов работы системы турбонаддува приведены на Рисунке 3.15.Линия 1 на Рисунке 3.15 проведена по точкам, соответствующим работедвигателя с двумя нерегулируемыми турбокомпрессорами. Ограничение потопливоподачи выбиралось исходя из величины коэффициента избытка воздуха. Допустимым значением выбрано 1,4.
Такой подход соответствует использованию алгоритма пневмокоррекции при работе двигателя. Следует отметитьхарактерную особенность работы двигателя с нерегулируемыми турбокомпрессорами: на частотах вращения до 650-700 оборотов в минуту наблюдается недостаток воздуха. Такое явление вызвано недостаточной раскруткой роторов104турбин. Во многом для решения именно этой проблемы используются различные методы регулирования системы воздухоснабжения.Рисунок 3.15. Статические характеристикиЛиния 2 соединяет точки расчѐтов с использованием двух регулируемыхтурбокомпрессоров.
Регулирование производится за счѐт изменения проходного сечения направляющего аппарата турбин. По сравнению с работой двигателябез регулирования турбокомпрессоров наблюдается значительное повышениекрутящего момента на частотах вращения от 400 до 700 оборотов в минуту. За105счѐт изменения положения направляющего аппарата увеличивается давление навходе в турбинах, поток газа направляется на периферию лопаток, что увеличивает плечо действия силы давления.
Это приводит к увеличению крутящегомомента на роторах турбокомпрессоров. Более активная раскрутка турбокомпрессоров позволяет направить больше воздуха в цилиндры, что приводит кувеличению коэффициента избытка воздуха при фиксированной подаче топлива. С учѐтом алгоритма пневмокоррекции увеличивается доступная величинатопливоподачи и крутящий момент двигателя.Линия 3 на Рисунке 3.15 проходит через точки расчѐтов, проведѐнных сиспользованием одного нерегулируемого турбокомпрессора.
Доступный крутящий момент при частотах вращения от 500 до 700 оборотов больше, чем вдвух предыдущих вариантах. При малых нагрузках образуется недостаточноедля двух турбин количество отработавших газов. В случае использования одного турбокомпрессора весь расход отработавших газов направляется на него, приэтом турбина создаѐт достаточный для раскрутки ротора крутящий момент.При большей частоте вращения двигателя воздуха от одного турбокомпрессоране хватает и доступный крутящий момент значительно снижается. В таком случае следует использовать регистровый наддув.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
