книги из ГПНТБ / Гительман А.И. Динамика и управление судовых газотурбинных установок

питания тот или иной вид топлива (см. § 32), измеряется давление топлива, а для тяжелого (подогреваемого) топлива также и темпера­ тура. Автоматика, включающая ту или иную систему топливопитания, содержит устройство, регистрирующее указанные измерения и блокирующее переключение на другой вид топлива, если измеренные параметры не свидетельствуют о готовности включаемой системы. Такая блокировка исключает возможность переключения топливопитания на неподготовленную систему, которое может привести к остановке ГТУ в ответственный момент маневрирования.

Блокировка положения исполнительных органов. При случайном падении давления рабочей среды, вызванном, например, отказом регулятора давления питания, в ряде случаев возникает необходи­ мость сохранить рабочее положение сервомоторов исполнительных органов. Для этой цели широкое применение нашли блокирующие устройства, герметично перекрывающие полость сервомотора и тем самым фиксирующие его положение, соответствующее моменту исчезновения рабочей среды.

Г Л А В А VIII

ОТРАБОТКА ДИНАМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ ГТУ

§ 39. Отработка систем управления ГТУ на электронно-моделирующих установках

При создании судовых газотурбинных установок необходима совместная доводка двигателя с системами автоматического управле­ ния и топливопитания. Обычно это связано с общим увеличением периода доводки двигателя, расходом моторесурса, с дорогостоящим обслуживанием двигателя на испытательном стенде. Кроме того, на двигателе в период наладки зачастую невозможно бывает спе­ циально создать аварийные режимы, необходимые для проверки системы автоматического управления, а также режимы, связанные с условиями морской эксплуатации (например, штормовые усло­ вия).

В практике создания судовых газотурбинных двигателей указан­ ные обстоятельства, как правило, приводят к недостаточно тщатель­ ной отработке систем автоматического управления в составе двига­ теля, а тем самым к снижению его эксплуатационных качеств.

Электронно-моделирующие установки позволяют с известным приближением отработать системы автоматического управления и провести их динамические испытания без двигателя, но в условиях, аналогичных условиям совместной работы с двигателем, включая различные эксплуатационные и аварийные режимы, которые нельзя воспроизвести без моделирующей установки. Таким образом, к мо­ менту окончания стендовой отработки двигателя система автомати­

293

ческого управления оказывается подготовленной к установке на двигатель.

В процессе опытной и плановой эксплуатации ГТУ на электронномоделирующей установке могут решаться задачи по совершенство­ ванию систем управления с учетом реальных характеристик двига­ теля, без проведения дорогостоящих и трудоемких работ, связанных с экспериментами на реальном объекте.

Принципиальной особенностью описываемых установок (см. рис. ПО) является то, что натурные управляющие сигналы форми­ руются в результате слежения за поступающими с математической модели командными параметрами, которые пропорциональны соот­ ветствующим параметрам ГТД.

Использование типовой универсальной электронно-математиче­ ской аппаратуры и следящего исполнительного электропривода позволяет в случае необходимости за весьма короткий срок пере­ строить электронно-моделирующую установку для доводки систем автоматического управления и топливопитания ГТУ различного типа.

В § 28 были рассмотрены два основных метода описания электро­ моделей судовых ГТУ: первый — основанный на предварительном расчете моментных и других результирующих характеристик, и второй, при котором в модель вводятся исходные характеристики практически всех элементов ГТУ.

Ниже приведены примеры обоих указанных способов создания моделирующих установок судовых ГТУ.

Электромоделирующая установка для отработки систем управления ГТД про­ стой схемы на основе обобщенных моментных и напорных характеристик

Структура воздействий. На рис. 166 приведена схема газотурбинного двига­ теля с одним турбокомпрессором и свободной тяговой турбиной.

Турбокомпрессор с камерой горения составляет газогенерирующий блок ГТБ, питающий рабочим газом тяговую турбину.

На рис. 167 приведена схема системы управления и топливопитания. Програм­ мная дозировка топлива автоматически производится командно-топливным агрега­ том КТА, в котором конструктивно совмещены главный насос и аппаратура автома­ тического управления. Настройка КТА на требуемый режим работы осуществляется сектором газа. Для создания необходимой программы управления к измеритель­ ным элементам КТА подводятся командные сигналы по ряду параметров ГТД.

На рис. 168 приведена структурная схема воздействий ГТД для рассмотренного случая.

Блок-схема электромоделирующей установки. Приведенная на рис. 168 структура воздействий позволяет создать моделирующую установку, которая с достаточной для практических целей точностью имитирует совместную работу системы автомати­ ческого управления и топливопитания с газотурбинным двигателем.

На рис. 169 показана структура электронно-моделируютцей установки. Элек- тронно-моделирующая установка работает следующим образом. В электронно­ математической части установки (математической модели ГТД) решаются задан­ ные аналитически, в виде расчетных или экспериментальных характеристик, урав­ нения движения двигателя. Выходные электрические напряжения математической модели ГТД — машинные переменные, пропорциональные управляющим сигналам по частоте вращения, давлению топлива и т. д. — преобразуются следящими приво­ дами в натурные управляющие импульсы и подаются в соответствующие регулятором ■испытуемого КТА. Узлы КТА в свою очередь подают команды на математическую модель. С этой целью неэлектрические командные импульсы КТА преобразуются посредством соответствующих датчиков давления, частоты вращения и т- Д- в элек­ трические сигналы.

2 9 4

Р и с . 1 6 6 . С х е м а м о д е л и р у е м о г о Г Т Д .

U ! — импеллер тяговой турбины; ТТ — тяговая турбина; ТК — турбокомпрессор; К — компрессор; U 2 — импеллер ТК; КТ А — командно-топливный агрегат (всережимная сисстема автоматического регулирования); КГ — камера горения; Мс — момент сопротивле­

сектора газа; Вт — расход топлива через форсунки; рт — давление топлива перед форсун­ ками.

Рис. 167. Система управления и питания ГТД.

1 — т о п л и в н ы й б а к ; 2 — п о д к а ч и в а ю щ и й н а с о с ; 3 —

Рис. 168. Структурная схема воз­ действий в ГТД.

295

Таким образом, создается замкнутая система автоматического регулирова­ ния, состоящая из испытуемых узлов К.ТА и математической модели с преобразую­ щими силовыми устройствами (следящими приводами), воспроизводящими натур­ ные параметры моделируемого двигателя.

Структура воздействий командных сигналов КТА в системе моделирующей установки подобна структуре реального двигателя. Испытуемый агрегат или си­ стема управления устанавливается на специальный стенд для динамических испы­ таний. Стенд представляет скомпонованный на общей раме стол и приводной двига­ тель постоянного тока с мультипликатором, на выходной вал которого навешен КТА.

Электронно-математическая часть установки составлена из электронных машин непрерывного действия, а также комплектов отдельных блоков, выпускаемых оте­ чественными заводами счетно-аналитических машин. Силовые исполнительные уст­ ройства — следящие электроприводы постоянного тока — работают по схеме мо­ тор—генератор и управляются от электронно-математической части установки.

Математическая модель ГТД. На рис. 76 и 107 были приведены основные ха­ рактеристики ГТБ, отражающие зависимость избыточного момента турбокомпрес­ сора АМ тк и давления воздуха за компрессором рв от относительной частоты вра­

щения Jha. турбокомпрессора при различной подаче топлива Вт в камеру горения

пто

г т д .

При динамических испытаниях натурного ГТД расчетные характеристики уточняются указанным в § 18 методом. В рассматриваемом случае более чем на 20 специально выполненных режимах разгона и сброса было произведено осциллографирование частоты вращения, давления топлива, температуры газа, давления воздуха на компрессором и др. Обработкой кривых п = f (т) были определены за­

висимости = f (т), т. е. ДУИХК = f (т) и по сочетаниям АМТК, рв и остальных

параметров в одинаковые моменты времени были установлены зависимости между всеми интересующими параметрами вне времени, т. е. в квазистационарном прибли­ жении (см. § 21). Благодаря этому уточнению завершающие испытания системы управления на модели и в составе ГТД дали практически одинаковые результаты.

представляет собой функциональную зависимость от двух переменных, которая может быть реализована в модели комбинацией функциональных преобразовате­ лей от одной переменной (блоков нелинейностей), блоков перемножения и опера­ ционных усилителей (блоков суммирования). Для этого аппроксимируем указан­ ную характеристику семейством парабол 1 вида

1 Первоначально аппроксимировали семейством прямых, что давало меньшую точность и уменьшало достоверный диапазон режимов.

2 9 6

рения (кгс-м, об/мин и т. п.) в вольты, переходим к машинным переменным1;

В* = 0,243в т;

х* = 0,243 х;

VT[A* =2bV\fa ;

лм;к = дмтк;

У* = У-

же является функцией двух переменных. Однако кривые рв = f (Вт) при —— =

птко

= idem могут быть линеаризованы с достаточной точностью, поэтому характери­ стика для упрощения модели может быть описана уравнением семейства прямых:

1 Здесь и далее для наглядности вместо буквенных обозначений приведены не­ посредственно численные значения коэффициентов, заимствованные из программы выполненной электронной модели ГТД.

237

где

В* = 0,243ВТ; Р* = 1Срк.

Формирование командного сигнала по расходу топлива. Машинную перемен­ ную В*, соответствующую характеристике блока форсунок ГТД, получаем в мате­ матической модели в виде нелинейной функции от сигнала, пропорционального пере­

Формирование командного сигнала по частоте вращения турбокомпрессора.

Движение ротора турбокомпрессора определяется уравнением

Xi

Моделирование температуры газа перед турбиной высокого давления. Характе­ ристика Тг ~ f (BTi рв) с достаточной точностью, может быть аппроксимирована семейством прямых

■^г- + г (BT)/tго — о,145рк ,

2 9 8

Где J р. в. т — момент инерцйи ТТ, редуктора, валолровода и винта, приведенные к гребному валу; п в — частота вращения гребного вала; ДУИВ — избыточный момент на гребном валу.

Переходя к относительным величинам, получаем

Яв /2ТТ ^ВО ^ТТО

где пт. т0 — номинальная частота вращения: пво — номинальная частота вращения гребного вала.

Тогда динамика движения ТТ определяется из (375):

где с — начальное условие; AAfT, х — избыточный момент ТТ; гр — передаточное отношение редуктора ТТ: пр. в — коэффициент полезного действия редуктора ТТ и валопровода.

т2

Гг

Избыточный момент ТТ

ДМ Т. т — А1Х. т — Afc. В . т ,

где Л1Т. т — крутящий момент ТТ; Мс, в. х—момент сопротиачения винта, приведен­ ный к валу ТТ.

Моделирование характеристики Мх. т. Крутящий момент тяговой турбины пред­

темой уравнений, позволяющих использовать функциональные преобразователи от

в7 = /( ^ ) ;

В6 = 25р* — 35 — 0,522В5;

В ь = £ 3В4; S4= 1,045А/* т; Я, = В 2ВХ;

В2 = 92,6 + 0,1033р*в;

Машинными уравнениями, аналогичными приведенным выше для элементов ГТД, аппроксимируются момент и тяга на винте, являющиеся функцией частоты вращения тяговой турбины (т. е. винта), шага винта (для ВРШ) и скорости судна, которая формируется на блоке интегрирования уравнения (231).

299

301

погрешность, поэтому выбор вида моделируемых зависимостей и введение упро­ щающих допущений весьма существенно сказывается на стабильности и точности модели.

Для решений уравнений роторов в модель вводили мощностные и моментные характеристики турбин и компрессоров. Входными, переменными служили оп­ ределяемые при интегрировании уравнения ротора частота вращения и получае­ мая с помощью уравнений объемов степень расширения или сжатия. Для решения уравнения объемов в модель вводили расходные характеристики с теми же входными переменными. Моделируемые характеристики были получены соответ­ ствующим перестроением характеристик каждого из элементов РТУ.

Рис. 171. Блок-схема математической модели комплекса РТУ—ВРШ—судно.

Приведенный расход через турбину а в основном зависит of степени расшире­ ния я, так как влияние п весьма мало (см. гл. I). Экспериментальная зависимость

тельным параметром — степенью перепуска.

Исходным материалом для моделирования компрессоров служили их универ­ сальные характеристики (см. § 7), связывающие степень сжатия я к и к. п. д. г)ад

с приведенным расходом (ак) и частотой вращения як. Таким образом, для получе­

ния моделируемой расходной характеристики а к = / (як, пк) достаточно поменять местами координатные оси исходной универсальной характеристики. Моментная характеристика одного из компрессоров (КНД) показана на рис. 172, б. Мощност-

302

ная характеристика jVk = —NK имеет аналогичный вид. Обе характеристики яв-

PV Т

ляются функциями двух переменных, и приближенное представление их в виде функ­ ций одной переменной при точных расчетах и моделировании связано с дополнитель­ ными погрешностями. Температура воздуха за компрессором определялась по фор­ мулам политропного процесса.

Характеристика воздухоохладителя моделировалась приближенной зависи­ мостью:

ДГ = Г в , - Г вд = Н пн). (см. рис. 54).

Как было указано в § 12, тепловая емкость воздухоохладителя изменяется весьма мало. Поэтому при моделировании воздухоохладитель принимался в качестве безынерционного звена.

У7т7, " W 5

Рис. 172. Пример моделируемых характеристик турбин (а) и компрессоров (6).

Точки —результатыстендовых испытаний; кривые —аппроксимация экспериментальных точек (на первых этапах определяется расчетом).

Потери в трактах высокого давления учитывались с помощью коэффициента потерь, значение которого в диапазоне рабочих режимов принималось неизменным (см. § 13). Поскольку потери в выходном тракте за турбиной определяются ее сте­ пенью расширения, они непосредственно учитывались при построении характеристик турбин* Потери во входном устройстве КНД и в тракте между компрессорами были учтены в виде единой зависимости давления перед КВД от степени сжатия КНД. Оправданность рассмотренных способов учета гидравлических сопротивлений трак­

жения судна, а также ротора турбокомпрессора низкого давления выражались с по­ мощью характеристик, построенных по данным круговых испытаний модели винта с пересчетом по коэффициентам попутного потока и засасывания (см. § 16). Таким образом, схема комплексу складывается из моделей его составных элементов и дей­ ствующих между ними связей. Как видно из рнс. 171, входными сигналами являются расход топлива, шаговое отношение ВРШ, а также положение перепускных органов.

Модель всего комплекса набирается из стандартных элементов аппаратуры АВМ. Так как координатами характеристик турбоагрегатов являются сложные комплексы (приведенные расходы и т. д.), представляющие собой произведения не­ скольких переменных, то для их воспроизведения требуется значительное количе­ ство блоков перемножения и деления. Современная аппаратура АВМ выполняет операции перемножения хуже, чем операции сложения. Применение логарифми­ ческих координат для характеристик ряда составных частей РТУ позволяет несколько сократить число необходимых блоков перемножения [7 ]. Для характеристик ВРШ и судна логарифмические координаты обычно не применимы. В результате модель

303