РАБОТА № 3
СОЗДАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ТГ-16М
Цель работы:
изучить методику получения математической модели одновального ГТД ТГ-16М с использованием АС ГРЭТ;
ознакомиться с АС ГРЭТ и провести моделирование двигателя;
провести расчеты дроссельных характеристик при выбранной программе управления;
проанализировать полученные результаты.
3.1. Построение конструктивной и функциональной схемы ГТД
Подготовка входных данных для расчета ГТД начинается с анализа его конструктивной схемы (рис. 3.1), которая разбивается на общепринятые модули узлов (МУ) и вычерчивается соответствующая ей функциональная схема, как показано на рис. 3.1. Связи между МУ обозначают передачу информации по рабочему телу, по валу или по отбору (подводу) рабочего тела. Вместе с тем проверяется, что все узлы функциональной схемы предусмотрены в программном комплексе. Если какого-то узла не хватает, то можно попробовать изменить функциональную схему. Иногда удается заменить модуль одного узла двумя, или внести какие-то другие изменения, исключающие непредусмотренный узел.
Анализ конструктивной схемы необходимо сделать, возможно, тщательнее, рассматривая все ее особенности не только в рамках одной задачи, но и в рамках всего перечня решаемых задач. Так, например, необходимо наметить и указать на функциональной схеме возможные места отборов и подводов воздуха, отборов и подводов мощности, расположения характерных сечений и участков проточной части двигателя, где требуется учесть те или иные потери, баланс мощностей, расходов, наличие или отсутствие характеристик отдельных узлов, их геометрических размеров и т.д. Ниже приводятся краткие пояснения к алгоритмам модулей.
![тг-16м]()
Рис. 3.1. Конструктивная и функциональная схема ГТД ТГ-16М
3.2. Краткое описание алгоритмов модулей узлов ГТД ТГ-16М
ВхУ1 – входное устройство газогенератора (1010);
Компрессор – центробежный компрессор газогенератора (2111);
Камера сгорания – кольцевая камера сгорания (4010);
Турбина – осевая одноступенчатая газовая турбина газогенератора (5111);
ВыхУ – выходное устройство (конфузор) газогенератора (1310);
ВхУ2 – входное устройства контура охлаждения стартер-генератора (1020);
Стартер-генератор – стартер-генератор совместно с редуктором (10001);
Охлаждение генератора – переходный канал, где имитируется охлаждение стартер-генератора (1120);
Вентилятор – вентилятор для охлаждения стартер-генератора (2021);
ВыхУ2 – выходное устройства контура охлаждения стартер-генератора (1210).
2.1. Входное устройство 1
В модуле осуществляется расчет процесса торможения входящего потока рабочего тела (воздуха). При этом сжатие воздуха вне двигателя можно считать происходящим без потерь, т.е. по адиабате, а сжатие воздуха во входном устройстве двигателя – с потерями, приводящими к понижению давления. Потери давления торможения учитываются коэффициентом восстановления полного давления sвх, задаваемым в виде постоянной величины, либо выбирают по опытным данным в зависимости от конструктивного выполнения входа в двигатель. Кроме того, в МУ «Входное устройство» могут быть учтены отборы или (и) подводы воздуха, а также впрыск (вдувание) различных веществ.
2.2. Входное устройство 2
В модуле осуществляется расчет процесса торможения входящего потока воздуха, используемого в дальнейшем для охлаждения стартер-генератора. При этом сжатие воздуха вне двигателя можно считать происходящим без потерь, т.е. по адиабате, а сжатие воздуха во «Входном устройстве» – с потерями, приводящими к понижению давления. Потери давления торможения учитываются коэффициентом восстановления полного давления sвх., задаваемым в виде постоянной величины, либо выбирают по опытным данным в зависимости от конструктивного выполнения входа в двигатель. Кроме того, в МУ «Входное устройство» могут быть учтены отборы или (и) подводы воздуха, а также впрыск (вдувание) различных веществ.
2.3. Стартер-генератор
Моделируется МУ типа «Агрегаты». Алгоритм данного модуля позволяет проводить отбор или подвод мощности к любому из валов двигателя. Что достигается заданием соответствующей характеристики агрегатов. В этот МУ также предвключен редуктор, позволяющий учитывать потери в зубчатых зацеплениях и КПД собственно стартер-генератора.
2.4. Охлаждения стартер-генератора
Моделируется МУ типа «Переходной канал». В модуле реализован алгоритм расчета потерь полного давления из-за наличия гидравлических сопротивлений в тракте охлаждения стартер-генератора. Модуль может использоваться как имитатор теплообменного устройства, т.е. в нем можно повышать или понижать температуру рабочего тела (воздуха). Данные повышения или повышения температуры рабочего тела назначаются пользователем из реальных условий теплообмена, входящих в схему ГТД узлов.
2.5. Вентилятор охлаждения стартер-генератора
Моделируется МУ типа «Компрессор». В модуле реализован алгоритм расчета процесса повышения давления по известным из теории турбомашин формулам. Расчет может быть выполнен как без характеристик так и с характеристиками. В качестве безразмерных определяемых величин при испытании компрессора рассматривают степень повышения давления воздуха в компрессоре πк* и КПД компрессора ηк*. Поэтому для одного и того же компрессора в области чисел Рейнольдса Re > Reкр и при условии показателя адиабаты k = const критериальные уравнения принимают вид:
πк* = f (Gв.пр; nпр); ηк* = f (Gв.пр; nпр),
где Gв.пр – приведенный расход воздуха; nпр – приведенные обороты.
Алгоритм применим для расчета как осевых, диагональных так и центробежных компрессоров с использованием соответствующих характеристик. Допускается в схеме двигателя до пяти компрессоров в каждом контуре, находящихся на любом из пяти валов. Предусмотрена возможность коррекции характеристик при регулировании компрессора. Предусмотрена возможность расчета статических параметров на входе и выходе МУ при условии задания соответствующих площадей проходных сечений.
2.6. Выходное устройство 2 охлаждающего воздуха стартер-генератора
Алгоритм данного модуля реализует расчет процесса истечения воздуха после вентилятора из стартер-генератора.
Потери учитываются заданием значений sвых. Вместе с тем, могут быть использованы готовые, полученные при испытаниях ГТД, характеристики sвых.
2.7. Компрессор
В модуле реализован алгоритм расчета процесса повышения давления в компрессоре по известным из теории турбомашин формулам. Расчет может быть выполнен как без характеристик (например, при решении задачи формирования облика двигателя), так и с характеристиками. В качестве безразмерных определяемых величин при испытании компрессора рассматривают степень повышения давления воздуха в компрессоре πк* и КПД компрессора ηк*. Поэтому для одного и того же компрессора в области чисел Рейнольдса Re > Reкр и при условии показателя адиабаты k = const критериальные уравнения принимают вид:
πк* = f (Gв.пр.; nпр.); ηк* = f (Gв.пр.; nпр.),
где Gв.пр. – приведенный расход воздуха; nпр. – приведенные обороты.
Если компрессор регулируется поворотом направляющих аппаратов (НА) его отдельных ступеней i, то каждому положению φн.а.i (угол поворота лопаток i - го НА) будет соответствовать своя характеристика компрессора. Следовательно, в данном случае,
πк* = f (Gв.пр; nпр; φн.а.i ); ηк* = f (Gв.пр; nпр; φн.а.i).
В алгоритме заложена возможность отборов воздуха на различные нужды, в том числе и рассредоточенных, то есть из-за промежуточных ступеней. Приведенные к стандартным атмосферным условиям характеристики компрессора уточняются в зависимости от изменения свойств рабочего тела, например, при учете влажности атмосферного воздуха. Предусмотрена также возможность использования (или определения при решении задачи формирования облика) некоторых геометрических размеров. Алгоритм применим для расчета как осевых, диагональных, так и центробежных компрессоров с использованием соответствующих характеристик. Допускается в схеме двигателя до пяти компрессоров в каждом контуре, находящихся на любом из пяти валов. Предусмотрена возможность коррекции характеристик при регулировании компрессора. Предусмотрена возможность расчета статических параметров на входе и выходе МУ при условии задания соответствующих площадей проходных сечений.
2.8. Камера сгорания
В алгоритме модуля узла производится расчет расхода углеводородного горючего и параметров газа на заданную температуру Тг* (в области коэффициентов полноты сгорания a³1). Коэффициенты восстановления полного давления s и полноты сгорания h могут быть заданы постоянными, или в виде характеристик. Следует при этом отметить, что величина коэффициента s по режимам работы камеры сгорания изменяется мало, поэтому различают два типа характеристик камер сгорания – характеристики полноты сгорания и срывные характеристики. Характеристикой полноты сгорания называется зависимость коэффициента полноты сгорания от коэффициента избытка воздуха (осредненного по всему объему камеры), а также от температуры и давления на входе в камеру. Срывной характеристикой называется зависимость диапазона возможных значений коэффициентов избытка воздуха, при которых еще происходит горение, от параметров потока на входе в камеру.
Предусмотрены возможности отбора воздуха из входного сечения и подвод воздуха в выходном сечении, имитирующем сброс охлаждающего воздуха через сопловые лопатки в проточную часть до сечения горла соплового аппарата.
Предусмотрена возможность расчета статических параметров во входном и выходном сечениях камеры сгорания.
2.9. Турбина
В модуле реализован алгоритм расчета процесса расширения газа в турбине. Расчет может быть выполнен без характеристик (при решении задачи формирования облика двигателя) и с использованием характеристик турбины.
Могут быть использованы характеристики видов:
 или
 ,
где  – приведенные расход газа и обороты; KG и Kn – поправочные коэффициенты к стандартному приведению, учитывающие изменение свойств рабочего тела; π*т – степень понижения давления газа в турбине; η*т – КПД турбины; αр.са – угол положения лопаток соплового аппарата; λ2 – приведенная скорость на выходе из рабочего колеса (определяет «потери энергии с выходной скоростью» С2 из РК); α2 – угол между скоростью С2 и окружной скоростью. Черта над параметрами означает отношение их к максимальному значению.
В алгоритме предусмотрена возможность подвода охлаждающего воздуха из разных мест отбора. Имитируется сброс его в проточную часть в сечении перед первым рабочим колесом и в сечении за последним рабочим колесом. Алгоритм предполагает использование (или определение при решении задачи формировании облика двигателя) некоторых геометрических размеров во входном и выходном сечениях. В целях унификации алгоритм позволяет выполнять расчет процесса расширения в двух вариантах:
по заданной мощности на валу;
по заданной степени понижения давления в турбине.
Второй вариант обычно используется при расчете свободных (силовых) турбин, и при расчете переходных процессов. Предусмотрена возможность коррекции характеристик турбины воздействием на координаты точки привязки.
2.10. Выходное устройство 1
Алгоритм данного модуля реализует расчет процесса истечения газа из турбины:
В алгоритме предусмотрена также возможность расчета тяги.
Потери учитываются заданием значений sвых. Вместе с тем могут быть использованы готовые, полученные при испытаниях ГТД, характеристики sвых.
Задание: Используя диалог АС ГРЭТ, построить расчетную схему ГТД ТГ-16М. Ввести исходные данные для выполнения «теплового» расчета на расчетном режиме. Выполнить «завязку» двигателя на этом режиме с подключением характеристик компрессора и турбины. Выполнить расчет дроссельных характеристик на режимах, полученных в лабораторной работе № 2. Построить сравнительные графики зависимостей Neпр, Сeуд.пр, Gт.пр , Т*т и π*к = f (nпр).
3.3. Последовательность создания математической модели с использованием диалоговой оболочки АС ГРЭТ
3.3.1. Запускается диалоговая оболочка АС ГРЭТ (рис. 3.2):
Рис. 3.2
3.3.2. Назначается имя проекта: ТГ-16М (рис. 3.3):
![]()
Рис. 3.3
3.3.3. Назначаем тип двигателя ТГ-16М (рис. 3.4):
![]()
Рис. 3.4
3.3.4. Формируем функциональную схему ТГ-16М (рис. 3.5):
![]()
Рис. 3.5
3.3.5. Вводим данные для каждого МУ и в целом по двигателю согласно паспортным данным ТГ-16М (рис. 3.6):
Рис. 3.6
3.3.6. Формируем закон управления ТГ-16М (рис. 3.7):
![]()
Рис. 3.7
3.3.7. Формируем программу управления ГТД ТГ-16М состоящую из одного закона управления, составленного в пункте 3.3.6 (рис. 3.8):
![]()
Рис. 3.8
3.3.8. Формируем выходные данные для ТГ-16М согласно заданию (рис. 3.9):
Рис. 3.9
3.3.9. Выполняем «тепловой» расчет ТГ-16М и проводим анализ полученных результатов расчета (рис. 3.10):
Рис. 3.10
3.3.10. Для получения полной математической модели ТГ-16М выполняем задачу «Формирования облика двигателя» (рис. 3.11):
Рис. 3.11
При этом подключаться характеристики компрессора и турбины.
3.3.11. Формируем закон управления для полной модели ТГ-16М (рис. 3.12):
Рис. 3.12
3.3.12. Формируем программу управления ТГ-16М с этим законом управления (рис. 3.13):
Рис. 3.13
3.3.13. Формируем выходные данные для ТГ-16М, согласно заданию (рис. 3.14):
Рис. 3.14
3.3.14. Проводим расчет дроссельной характеристики ГТД ТГ-16М при различных частотах вращения вала турбокомпрессора (рис. 3.15):
Рис. 3.15
3.15. Результаты расчета параметров ТГ-16М экспортируем в «EXEL» и строим графики (рис. 3.16):
![]()
Рис. 3.16
3.3.16. Проводим анализ результатов расчета по полной математической модели ТГ-16М и сравниваем с результатами измерений на стенде (лаб. работа № 2).
4. Оформление работы
1. Построить графики изменений давления (в МПа), температуры (в К), расход рабочего тела (в кг/с) в характерных сечениях по тракту двигателя и сравнить с параметрами, полученными в лабораторной работе № 1.
2. По графикам сделать выводы о некотором расхождении двух методик.
3. Построить дроссельную характеристику Neпр, Сeуд.пр,  в зависимости от частоты вращения вала, провести сравнение этих параметров с параметрами, полученными в лабораторной работе № 2 и сделать выводы.
Контрольные вопросы:
1. Конструктивные особенности ГТД ТГ-16М.
2. Какие модули узлов используются при моделировании ГТД ТГ-16М.
3. В каком виде задаются характеристики компрессора ГТД ТГ-16М.
4. В каком виде задаются характеристики турбины ГТД ТГ-16М.
5. Как составляется закон управления при формировании облика ГТД ТГ-16М.
6. Как составляется закон управления при расчете дроссельных и климатических характеристиках ГТД ТГ-16М.
|
