Рыбинская Государственная Авиационная Технологическая Академия

им. П.А. Соловьева

Утверждаю

зав.кафедрой «Авиационные двигатели»

________________ М.Л. Кузменко

«_____» _________ 2010 г.

К О Н С П Е К Т Л Е К Ц И Й

по дисциплине «Динамика и прочность ГТД»

Разработал

доцент Кузнецов С.П.

Лекция 1

Д и н а м и к а гтд

Возросшие требования к летно-тактическим характеристикам ЛА привели к существенному усложнению конструктивных схем силовой установки и значительной интенсификации параметров рабочего процесса в двигателях. Отличительными особенностями являются:

• большое количество регулирующих органов

• близость рабочих режимов к прочностным и функциональным ограничениям

• широкий диапазон высотно-скоростных условий эксплуатации

• большое разнообразие установившихся и переходных режимов.

Для обеспечения высоких тягово-экономических показателей, надежности, ресурса и других эксплутационных характеристик двигатели оснащаются современными САУ, которым присущи сложность реализуемых в них законов регулирования и управления, наличие многих контуров регулирования и ограничения, развитая и сложная логика блокировок и переключений.

Современный ГТД представляет собой сложную нелинейную динамическую систему с взаимным влиянием газодинамических и теплофизических процессов, протекающих в его узлах.

Рис. 1

Процессы в двигателе являются нестационарными по времени и условиям эксплуатации, а для отдельных конструктивных схем имеют переменную структуру. Функционирование двигателя происходит при постоянном действии внутренних и внешних возмущений, а для маневренных ЛА практически на переходных режимах.

Малый газ- режим минимальной тяги (мощности), характеризуемый началом устойчивой работы камеры сгорания. Р,N_мг = 3%Р,N_взл.

Номинальный режим- расчетный режим работы с наибольшей экономичностью Р, N_ном.=0,8Р,N_взл..

Максимальный или взлетный режим- режим максимальной тяги, мощности.

Форcированный режим- режим с форсированным значением тяги за счет сжигания топлива в форсажной камере сгорания, причем в зависимости от расхода топлива в форсажной камере различают минимальный, частичный и полный форсированные режимы.

Режим авторотации - вращение ротора двигателя за счет энергии набегающего потока (расхода топлива нет).

Динамические (нестационарные) процессы (режимы) в двигателе – процессы перехода с одного установившегося режима на другой:

• запуск двигателя – выход на режим малого газа;

• основная приемистость - от режима м.г. до максимального;

• частичное дросселирование и приемистость;

• встречная приемистость – процесс увеличения тяги (мощности) после ее уменьшения, вызванного рядом обстоятельств и в том числе возникновением срывных режимов работы и т. п.

• включение форсированного режима;

• встречный запуск - после уменьшения тяги (мощности) ниже, чем на режиме м.г.;

• полная приемистость – изменение режима работы от малого газа до полного форсированного;

• полное дросселирование – уменьшение тяги (мощности) в тех же пределах.

Опыт создания и доводки современных двигателей выявил большую роль переходных процессов в обеспечении таких важных показателей как ГТУ, управляемость, темпы увеличения и уменьшения тяги (мощности) и характер ее изменения; величина и длительность возможного превышения допустимых уровней температуры, давления газа, частоты вращения роторов; циклическая повреждаемость элементов конструкции; надежность и др.

Отмечается значительное влияние на характеристики двигателя большого числа разнообразных факторов:

• конструктивных – размеры радиальных зазоров в лопаточных машинах, отборы механической энергии на привод агрегатов двигателя ЛА., отборы воздуха на кондиционироание и др. нужны ЛА.

• эксплутационных – утечки воздуха и газа, вязкость газа, влажность воздуха, его температурная инверсия, неравномерность полей давления и температуры воздуха на входе в двигатель, тепловое состояние двигателя и другое.

Сложность и многоконтурность системы управления, разнообразие режимов ее работы требуют для рационального построения системы многофакторного и комплексного анализа особенностей функционирования ГТД на всех эксплутационных режимах. Необходимость отработки динамических режимов работы двигателей законов и логики управления в натурных эксплутационных условиях, а также большой технический риск, связанный с доводкой как узлов двигателя, так и узлов регулирующей аппаратуры, требуют создания инженерного математического метода, позволяющего достаточно точно и оперативно воспроизводить на ЭВМ все основные режимы работы двигателя с учетом особенностей им.

Математическая модель, давая более обоснованно планировать испытания и повышать информативность их результатов, позволяет обеспечить большой экономический эффект при рациональном сочетании экспериментальных и расчетных исследований на стадии летных и стендовых испытаний при доводке двигателя.

Структура и точность математической модели определяются характером задачи, для решения которой они предназначены.

Существующие математические модели могут быть подразделены на следующие группы:

1.- поэлементная имитационная мат. модель – точное описание процессов в основных узлах и агрегатах двигателя – позволяет решать задачи по расчету параметров на установившихся режимах (дроссельные и ВСХ); воспроизведение переходных процессов на запуске, приемистости, при включении фор. камеры, при действии внешних и внутренних возмущений; проверка влияния различных способов управления на эксплутационные свойства двигателя; прогнозирование характеристик двигателя в нештатных ситуациях; сопровождающее моделирование натурных испытаний с целью получения недостающей информации.

2.- многорежимная упрощенная мат. модель – строится на основе динамической n=f(G_T,n) и дроссельных характеристик двигателя – аппроксимирует результаты полученные по элементным имитационным моделям, либо экспериментальные характеристики. Она позволяет моделировать работу двигателя в широком диапазоне режимов и условий полета; расчеты переходных процессов выполнять в реальном масштабе времени; моделировать работу двигателя в составе тренажера в интегральных САУ; проводить сопряжение модели двигателя с реальной аппаратурой.

3. – Линейная математическая модель – воспроизводит нестационарные процессы в двигателе в некоторой окрестности расчетного режима, сроится путем линеаризации различными методами уравнений исходной нелинейной поэлементной модели; либо путем линеаризации многорежимной упрощенной модели; либо аппроксимацией экспериментальных динамических характеристик (переходных функций или частотных характеристик).

4.- Регрессионные математические модели – регрессионные (снижающиеся, ухудшающиеся) зависимости между входными и выходными параметрами двигателя, коэффициенты которых определяются на основе большого количества расчетной и экспериментальной информации. Предназначены обычно для решения частных задач, возникающих при исследовании САУ двигателей.

5.- Нестационарная динамическая модель – воспроизводит случайные процессы в проточной части двигателя (шумы). Модель предназначена для исследования работы САУ двигателя при действии случайных помех.

В случае использования мат. модели не только для решения задачи управления, но и расчета тяговых, экономических и ВСХ двигателя погрешность моделирования должна быть не более 2…4%. Это достигается за счет усложнения мат. модели в связи с учетом вторичных факторов:

• переменные гидравлические потери давления в проточной части

• изменение теплофизических свойств газа на различных режимах

• зависимость полноты сгорания от состава смеси в К.С.

• отборы воздуха на охлаждение

• зависимость КПД узлов двигателя от режима работы

• механические потери мощности на трение в опорах и привод агрегатов

• зависимость характеристик агрегатов и свойств газа от числа Re.

Но чаще можно обойтись умеренными СТАТИЧЕСКИМИ точностями. Требования к ДИНАМИЧЕСКОЙ точности мат. модели определяются диапазоном частот, в котором необходимо воспроизводить динамические процессы в двигателе.

При исследованиях САУ, в которых регулируемым параметром является частота вращения роторов (или параметры, однозначно от ее зависящие), необходимый частотный диапазон определяется инерционными свойствами турбокомпрессора. Так постоянная времени двигателя в уравнении частоты вращения изменяется в пределах 0,1…1 сек в зависимости от размерности двигателя и от условий полета ЛА. Этому интервалу соответствует необходимый воспроизводимый частотный диапазон от 0 до 3Гц (роторные частоты).

Для исследований САУ, регулируемыми параметрами которых являются давление или Т_Г, динамические характеристики двигателя (по этим параметрам) должны воспроизводиться в более широком частотном диапазоне, например:

в системе регулирования с регулятором ^*_т  G_ГФ при существующих исполнительных механизмах возможно возникновение автоколебательных режимов с частотой до

f _{ак =}5Гц. Частотный диапазон (с запасом) воспроизведения динамических характеристик по этому параметру должен составлять f _{Р =}10…15Гц. Поэтому для моделирования достоверных динамических характеристик в этом случае требуется учитывать аккумуляцию энергии в объемах проточной части, в линиях замера давлений, если постоянная времени этих аккумуляторов   0,01…0,02 сек. Для исследований системы с регуляторами температуры необходимо учитывать запаздывание воспламенения топлива в камере сгорания и время распространения тепловой волны, величина которых лежит в пределах

 _зап. = 0,01…0,1 сек.