Оптимизация управления газотурбинным двигателем по критериям эффективности летательного аппарата

Актуальность проблемы.

Разработка: проекта авиационного ГТД — это относительно небольшой по продолжительности, но чрезвычайно важный, по принимаемым решениям период жизненного цикла двигателя. В. результате проектирования, формируются необходимые. информационные модели какпо двигателю в. целомтак и по всем его элементам. Это, в конечном? счете, предопределяет облик двигателя, особенности его конструктивного воплощения, характер технологических процессов^ при производстве неэффективность летательного аппарата, на котором. он эксплуатируется.

G развитием методов? и средств проектирования авиационных газотурбинных двигателейнаибольшее распространение получил подход, прикотором оценка! проекта? осуществляется, на основании критериев эффективности системы более высокого уровня — летательного аппарата.

Эффективность, эксплуатации, пассажирских самолетовв. главной" степени: обусловлена их топливной^экономичностыо: В последнее время в связи с истощением природных ресурсов углеводородного топливаисследования в области снижения их потребления? и повышенияэффективности JIA приобретают все большую актуальность. За весь срок эксплуатации среднемагистрального' пассажирскогосамолета расход горюче-смазочных материалов имеет внушительную величину и в* денежном эквиваленте может составлять более 90% от стоимости жизненного цикладвигателя. Поэтому топливная экономичность проектируемого газотурбинного-двигателя приэксплуатациив- системе летательного аппарата является основным залогом его конкурентоспособности на мировом рынке.

На начальном этапе проектирования газотурбинных двигателей можно выделить следующие основные направления повышения их эффективности:

— повышение уровня и оптимизация параметров рабочего процесса (Тг v ПкХ, m, тс*);

— разработка двигателей, с более совершенным термодинамическим цикломи развитым управлением элементами, проточной. части;

— применение альтернативных видов топлива;

— разработка и применение более адекватных методов оценки технико-экономических критериев эффективности ГТД в системе JIA;

— оптимизация управления силовой установкой в процессе полета JIA.

На протяжении полета, от взлета до посадки, условия и режимы работы силовой, установки изменяются в широком диапазоне. На значения критериев эффективности системы ЛА-ГТД наряду со значениями параметров рабочего процесса ГТД значительное влияние оказывает изменение функции управления двигателем по траектории полета. Вследствие этого достоверные значения критериев эффективности JIA и области оптимальных параметров ГТД могут быть получены только путем моделирования полета летательного аппарата.

При достигнутом высоком уровне параметров рабочего процесса газотурбинных двигателей актуальной является задача дальнейшего повышения эффективности эксплуатации летательных аппаратов путем оптимизации управления ГТД по критериям эффективности JIA, рассчитываемых с учетом моделирования полета по заданной траектории.

Кроме того, важной и актуальной задачей является создание автоматизированной системы, позволяющей решать весь комплекс задач проектирования ГТД и интеграция ее с системами автоматизированного, проектирования JIA.

Цель исследования.

Целью исследования является повышение эффективности и снижение стоимости жизненного цикла авиационных газотурбинных двигателей за счет разработки методов и средств оптимизации управления ими в системе JIA.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использованы методы теории рабочих процессов ГТД, системного анализа, исследования операций, теории оптимального управления, математического моделирования, вычислительной математики и САПР.

Научная новизна.

1. Разработана усовершенствованная математическая модель полета J1A, позволяющая исследовать влияние управления двигателями на динамику полета JIA и* его критерии эффективности.

2.Разработана математическая модель определения критериев эффективности JIA по результатам моделирования его полета.

3.Разработаны.усовершенствованые математическая модель ГТД и метод расчета его характеристик, позволяющие повысить надежность получения, результатов расчета параметров двигателя в широком диапазоне режимов работы, и внешних условий, а также сократить время численного моделирования полета ДАи оптимизации управления его двигателями.

4.Впервые разработан метод оптимизации"управления ГТД, позволяющий повысить эффективность JIA за счет выбора наиболее рационального управления-его силовой установкой.

5. Разработана автоматизированная подсистема' оптимизации управления ГТД (АСТРА-ОПТ), входящая в состав автоматизированной системы термогазодинамического расчета и анализа газотурбинных двигателей и энергетических установок (АСТРА), которая позволяет, в комплексе решать задачи выбора оптимальных параметров рабочего процесса, расчета эксплуатационных, характеристик и оптимизации управления ГТД произвольных типов и схем.

Практическая значимость,.

Разработанные методы и новые результаты, полученные в диссертации позволяют повысить эффективность проектируемых ГТД и' сократить сроки их проектирования за* счет целенаправленного поиска рационального способа управления двигателями и более точного расчета критериев эффективности JIA по результатам моделирования его полета, что также может быть использованопри оптимизации параметров рабочего процесса двигателя.

Практическая значимость диссертации подтверждается тем, что она выполнялась в рамках инновационной образовательной программы «Развитие центра компетенции и подготовка специалистов мирового уровня в области аэрокосмических и геоинформационных технологий», а также темы «Развитие теоретических основ оптимального проектирования двигателей атмосферных летательных аппаратов* и энергетических установок» по заданию Федерального агентства по образованию и целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы».

Результаты исследований по оптимизации управления ГТД, разработанная автоматизированная система термогазодинамического расчета и проектирования ГТД внедрены в учебный процесс кафедры теории двигателей летательных аппаратов СГАУ.

Кроме того, разработанная автоматизированная система термогазодинамического расчета и проектирования ГТД (АСТРА) нашла практическое применение на кафедре «Турбинные двигатели и установки» ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (гос. контракт № 528/07-ГК).

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы, научные и практические результаты докладывались на Международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, ЦИАМ, 2005) — Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 2006) — X Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2007» (Пермь, ПГТУ, 2007) — на научно-технических совещаниях и семинарах СГАУ и Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

Публикации.

По теме диссертации опубликована 20 работа, в том числе три статьи в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК, два учебных пособия, 9 материалов конференций, одно электронное учебное пособие и три электронных методических указания, изданных в рамках национального проекта «Образование».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований разработан и реализован метод оптимизации управления ГТД по критериям эффективности системы JIA, позволяющий развить теорию и методы начальных этапов проектирования авиационных ГТД.

Были получены следующие основные научные результаты:

1. Разработана усовершенствованная математическая модель полета JIA, которая позволяет на этапе начального проектирования ГТД более точно учитывать влияние многорежимности работы двигателей на значения критериев эффективности JIA, а также исследовать влияние управления двигателями на динамику полета JIA и изменение его параметров по траектории полета.

2. Разработана математическая модель определения критериев эффективности JIA по результатам моделирования его полета, которая позволяет повысить адекватность количественной оценки критериев эффективности по сравнению с существующими методами. Кроме того, данная математическая модель-позволила установить количественную связь между функцией управления" ГТД и целевой функцией, рассчитываемой по совокупности критериев эффективности JTA, в задаче оптимизации управления ГТД.

3. Разработаны усовершенствованые математическая модель ГТД и метод расчета его характеристик, обладающие высокой надежностью получения результатов в широком диапазоне исходных данных и позволяющие сократить время численного моделирования полета JIA и оптимизации управления его двигателями. Использование универсального подхода к описанию математической модели ГТД позволило реализовать возможность формирования в автоматизированном режиме математической модели ГТД произвольного типа и схемы, а также решать с ее помощью широкий круг задач темогазодинамического проектирования ГТД.

4. Впервые разработан метод оптимизации управления ГТД по совокупности критериев эффективности JIA. Данный метод позволяет повысить эффективность JIA за счет направленного поиска оптимального сочетания параметров регулирования ГТД и их изменения’по траектории полета с учетом ограничений на режимы полета JTA и значения параметров рабочего процесса двигателя. На примере оптимизации двигателями самолета Ту-154М показано, что по сравнению с типовыми программами полета, оптимизированное управление двигателями позволяет достичь значительного экономии топлива, которая при полете на максимальную дальность составляет более 9%.

5. Разработана автоматизированная подсистема оптимизации управления ГТД (АСТРА-ОПТ), которая предназначена для выбора оптимального варианта управления ГТД на основных участках траектории полета по совокупности критериев эффективности J1A.

6. Достоверность полученных в работе результатов подтверждается хорошей сходимостью результатов моделирования полета Ту-154М с фактическими данными.