BADANIA SYMULACYJNE SILNIKA ODRZUTOWEGO NA ZIEMI I W LOCIE ZE STANDARYZACJ SYGNAŁÓW ZADANYCH I ZAKŁÓCAJ CYCH

Transkrypt

1 BADANIA SYMULACYJNE SILNIKA ODRZUTOWEGO NA ZIEMI I W LOCIE ZE STANDARYZACJ SYGNAŁÓW ZADANYCH I ZAKŁÓCAJ CYCH KAROL GOLAK, PAWEŁ LINDSTEDT, RAFAŁ GR DZKI Streszczenie Praktyka eksploatacyjna pokazuje, że szczególną uwagę przywiązuje się do problemów regulacyjnych ponieważ tylko odpowiednio wyregulowany układ techniczny zużywa się w sposób normalny optymalny i każda zaistniała zmiana stanu technicznego wymaga natychmiastowej odpowiedniej nowej regulacji i odpowiedniego uaktualnienia charakterystyk niezawodnościowych i stąd podejmowania decyzji co do dalszego sposobu użytkowania. W artykule przedstawiono podstawowe zasady badań symulacyjnych silnika odrzutowego potrzebnych do oceny jakości jego regulacji. Badania oparto na sygnale impulsowym rzeczywistym (skończona wysokość impulsu i skończony czas trwania impulsu). Takie podejście pozwala lepiej skorelować badania symulacyjne z badaniami rzeczywistymi przeprowadzonymi podczas prób. Słowa kluczowe: badania symulacyje, turbinowy silnik odrzutowy, regulacja 1. Wprowadzenie turbinowy silnik odrzutowy, jako obiekt badany podczas prób naziemnych, a u ytkowany w trakcie lotu Lotniczy turbinowy silnik odrzutowy badany jest podczas okresowych przegl dów kontrolnych, oraz po przeprowadzonych naprawach w trakcie standardowej próby naziemnej przeprowadzanej na hamowni. Odbywa si ona według ci le okre lonego programu. W jej trakcie oceniany jest przebieg pr dko ci obrotowej silnika (okre lona jest jej warto, pr dko ci zmiany oraz czas utrzymywania) zadawanej za pomoc d wigni sterowania silnikiem (DSS). Wymuszenie zadawane wi c jest do regulatora. Natomiast w trakcie jego u ytkowania (w trakcie lotu) sygnały zakłócenia pochodz ce zarówno od warunków atmosferycznych (podmuchy wiatru, zmiana ci nienia) jak i wynikaj cych z pracy samolotu (ciasne zwroty, odpalenie rakiet, przej cie strugi powietrza z drugiego silnika w locie grupowym) nabieraj du ej mocy, a przez to i znaczenia dla jako ci pracy silnika. Zakłócenia w trakcie lotu oddziałuj na obiekt (silnik). W trakcie prób silnika przeprowadzanych na hamowni sygnały zakłócenia posiadaj mał moc i przez to maj mały wpływ na działanie silnika [3, 4, 8]. Schemat funkcjonalny układu regulacyjnego turbinowego silnika odrzutowego przedstawia rysunku 1.

2 61 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 2014 Rys. 1. Schemat funkcjonalny przedstawiający zasadę działania układu paliwowo-regulacyjnego EUP-150S silnika K-15 A zawór sterujący rozruchem i przyğpieszaniem; C igła dozująca automatu rozruchu i przyğpieszania; D dysza sterująca deceleracją; DSS dĩwignia sterowania silnikiem; E elektrohydrauliczny zawór sterujący (element wykonawczy bloku ograniczników elektronicznych); Max zawór ograniczający maksymalne natċīenia przepływu paliwa; Min zawór ograniczający minimalne natċīenia przepływu paliwa; N odğrodkowy nadajnik sygnału prċdkoğci obrotowej; P zawór porównujący (sprzċgający liniċ główną z linią sterowania); Q dysza do pomiaru objċtoğciowego natċīenia przepływu paliwa; Reg hydromechaniczny regulator prċdkoğci obrotowej; Stop zawór odcinający przepływ paliwa do wtryskiwaczy (tzw. stop kran); T nurnikowa pompa główna; U zawór upustowy paliwa; W wirnikowa pompa wspomagająca; Z zbiornik paliwa; pc2 całkowite ciğnienie powietrza za sprċīarką; pal masowe natċīenie przepływu paliwa w głównej linii zasilania, b masowe natċīenie przepływu paliwa w linii sterowania; I0 sygnał elektryczny sterujący zaworem elektrohydraulicznym. ħródło: [2, 7].

3 62 Karol Golak, Paweł Lindstedt, Rafał Grądzki Badania symulacyjne silnika odrzutowego na ziemi i w locie ze standaryzacją sygnałów zadanych i zakłócających Na podstawie powy szego schematu i przy wykorzystaniu transmitancji oraz warto ci parametrów elementów silników odrzutowych [1, 10] zaproponowano uproszczony model układu regulacji pr dko ci obrotowej turbinowego silnika odrzutowego przedstawiony na rysunku 2. Rys. 2. Uproszczony układ regulacji prędkości obrotowej turbinowego silnika odrzutowego ródło: [3, 9]. Praktyka eksploatacyjna wykazała, e jako pracy silnika badana od wymusze działaj cych na regulator w jest ró na od jako ci wyznaczonej od zakłóce działaj cych na obiekt z. Dochodzi wi c do sytuacji, e jako pracy silnika badana jest od wymusze oddziałuj cych na regulator, natomiast silnik u ytkowany jest od zakłóce oddziałuj cych na obiekt. Prowadzi to do konkluzji, e prawidłowo wyregulowany podczas próby naziemnej silnik mo e by nieodpowiednio wyregulowany do pracy w trakcie lotu. St d wynika potrzeba badania jako ci silnika w locie na podstawie bada naziemnych [5, 6]. 2. Zasady bada symulacyjnych silnika odrzutowego potrzebnych do oceny jako ci jego regulacji. Najwi kszy wpływ na prac silnika w trakcie lotu maj zakłócenia o charakterze krótkotrwałym, gdy w razie wyst pienia długotrwałych zmian warunków lotu (ci nienie, temperatura) wpływaj cych na zmian parametrów obiektu nastawy regulatora automatycznie kompensuj ich wpływ na działanie silnika. St d badania jako ci regulacji oparto na sygnale impulsowym rzeczywistym o sko czonej wysoko ci impulsu i sko czonym czasie jego trwania. Na potrzeby symulacji przyj to wymuszenia impulsowe o nast puj cych amplitudach i czasach trwania: Amplituda=10; t=0.1[s]; Amplituda=1; t=1[s]; Amplituda=0,5; t=2[s]; Sygnały s tak dobrane, aby pomimo ró nej amplitudy i czasu trwania pole powierzchni impulsu, a przez to jego moc były takie same. W symulacji wymuszenia s w postaci impulsu rzeczywistego, aby odwzorowa rzeczywiste zakłócenia działaj ce na obiekt. W trakcie przebiegaj cej w trakcie prób naziemnych (na hamowni) regulacji turbinowego silnika odrzutowego mo liwa jest zmiana nastaw parametrów regulatora (kr wzmocnienia regulatora i Ti stałej czasowej regulatora). Wraz ze zmian warunków lotu (wysoko lotu, a wraz

4 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, z tym temperatura, ci nienie powietrza, zmiana składu powietrza) mo liwa jest zmiana parametrów obiektu (k wzmocnienia obiektu oraz T stałej czasowej obiektu). St d te symulacyjne badania jako ci stanu regulacji turbinowego silnika odrzutowego powinny opiera si na badaniu wpływu zamiany tych parametrów na przebieg jego pr dko ci obrotowej zarówno od warto ci zadawanej na regulator (w trakcie prób naziemnych), jak i od zakłócenia działaj cego na obiekt (w trakcie u ytkowania silnika). Do symulacji przyj to nast puj ce warto ci parametrów układu z rysunku 2. [1, 9, 10] T=1.5; k=0.5; Tc=0.1; kz=0.15; kr=50; kk=0.001; Ti=7; Parametry T, k, kk, kz s parametrami nieliniowymi, a na potrzeby symulacji modelu uproszczonego przyj to ich warto u rednion. W wyniku symulacji zbadano wpływ zamiany parametrów modelu (rys. 2.) o 50% ich warto ci pocz tkowej zarówno dla wymuszenia sygnałem w jak i z. Wyniki symulacji zostały pokazane na rys. 3 rys. 17. Czerwonym markerem oznaczone s dodatkowo przebiegi odpowiadaj ce odpowiedziom dla badanego parametru zwi kszonego o 50% jego warto ci pocz tkowej, a w wypadku rys. 15-rys.17 równoczesnej zmianie parametrów: k+50% i T-50%. Rys. 3 rys.5 ukazuj wpływ zmiany parametru dla k-50%k; k ; k+50%k Rys. 6 rys.8 ukazuj wpływ zmiany parametru dla T-50%T; T; T+50%T Rys. 9 rys.11 ukazuj wpływ zmiany parametru dla kr-50%kr; kr ; kr+50%kr Rys. 12 rys.14 ukazuj wpływ zmiany parametru dla Ti-50%Ti; Ti ; Ti+50%Ti Rys. 15 rys.17 ukazuj wpływ zmiany parametru dla k-50%k i T+50%T; k i T ; k+50%k i T-50%T Rys.3. Wpływ zmiany parametru k na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=10, t=0.1

5 64 Karol Golak, Paweł Lindstedt, Rafał Grądzki Badania symulacyjne silnika odrzutowego na ziemi i w locie ze standaryzacją sygnałów zadanych i zakłócających Rys. 4. Wpływ zmiany parametru k na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=1, t=1 Rys. 5. Wpływ zmiany parametru k na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=0.5, t=2

6 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, Rys. 6. Wpływ zmiany parametru T na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=10, t=0.1 Rys. 7. Wpływ zmiany parametru T na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=1, t=1

7 66 Karol Golak, Paweł Lindstedt, Rafał Grądzki Badania symulacyjne silnika odrzutowego na ziemi i w locie ze standaryzacją sygnałów zadanych i zakłócających Rys. 8. Wpływ zmiany parametru T na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=0.5, t=2 Rys. 9. Wpływ zmiany parametru kr na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=10, t=0.1

8 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, Rys. 10. Wpływ zmiany parametru kr na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=1, t=1 Rys. 11. Wpływ zmiany parametru kr na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=0.5, t=2

9 68 Karol Golak, Paweł Lindstedt, Rafał Grądzki Badania symulacyjne silnika odrzutowego na ziemi i w locie ze standaryzacją sygnałów zadanych i zakłócających Rys. 12. Wpływ zmiany parametru Ti na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=10, t=0.1 Rys. 13. Wpływ zmiany parametru Ti na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=1, t=1

10 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, Rys. 14. Wpływ zmiany parametru Ti na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=0.5, t=2 Rys. 15. Wpływ zmiany parametrów k i T na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=10, t=0.1

11 70 Karol Golak, Paweł Lindstedt, Rafał Grądzki Badania symulacyjne silnika odrzutowego na ziemi i w locie ze standaryzacją sygnałów zadanych i zakłócających Rys. 16. Wpływ zmiany parametrów k i T na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=1, t=1 Rys. 17. Wpływ zmiany parametrów k i T na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=0.5, t=2

12 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, Jako regulacji układów po zmianach sygnałów została oceniona przez wska nik całkowy całk kwadratu uchybu regulacji: 0 [ () ( )] I = e t e dt 2 (1) Całkowe wska niki jako ci regulacji dla zmian parametrów modelu zostały ukazane w tab.1. Tab. 1. Całkowe wskaźniki jakości dla odpowiedzi na różne wymuszenia wymuszenie I dla odpowiedzi od w I dla odpowiedzi od z k-50%k k k+50%k k-50%k k k+50%k A=10; t=0.1[s] A=1; t=1[s] A=0.5; t=2[s] T-50%T T T+50%T T-50%T T T+50%T A=10; t=0.1[s] A=1; t=1[s] A=0.5; t=2[s] kr-50%kr kr kr+50%kr kr-50%kr kr kr+50%kr A=10; t=0.1[s] A=1; t=1[s] A=0.5; t=2[s] Ti-50%Ti Ti Ti+50%Ti Ti-50%Ti Ti Ti+50%Ti A=10; t=0.1[s] A=1; t=1[s] A=0.5; t=2[s] k-50%k i k+50%k i k-50%k i k+50%k i k i T k i T T+50%T T-50%T T+50%T T-50%T A=10; t=0.1[s] A=1; t=1[s] A=0.5; t=2[s] Analizuj c warto ci całkowych wska ników jako ci dochodzi si do wniosku, e zmiana tego wska nika od wymuszenia sygnałem z (w locie) jest wi ksza od zmiany tego wska nika wyznaczonego od wymuszenia sygnałem w (na ziemi). Całkowe wska niki jako ci regulacji dla zmian parametrów modelu zostały ukazane w tab.2.

13 72 Karol Golak, Paweł Lindstedt, Rafał Grądzki Badania symulacyjne silnika odrzutowego na ziemi i w locie ze standaryzacją sygnałów zadanych i zakłócających Tab. 2. Względne całkowe wskaźniki jakości dla odpowiedzi na różne wymuszenia wymuszenie I dla odpowiedzi od w [%] I dla odpowiedzi od z {%} k-50%k k k+50%k k-50%k k k+50%k A=10; t=0.1[s] -23,02-16,44-57,14-58,24 A=1; t=1[s] -21,29-13,65-55,21-51,53 A=0.5; t=2[s] 28, ,03 12, ,50 T-50%T T T+50%T T-50%T T T+50%T A=10; t=0.1[s] 16, ,26 92, ,87 A=1; t=1[s] 10, ,81 73, ,83 A=0.5; t=2[s] -17,65-25,74-12,50-25,00 kr-50%kr kr kr+50%kr kr-50%kr kr kr+50%kr A=10; t=0.1[s] -23,02-16,44 70, ,67 A=1; t=1[s] -21,29-13,65 79, ,52 A=0.5; t=2[s] 28, ,03 350, ,50 Ti-50%Ti Ti Ti+50%Ti Ti-50%Ti Ti Ti+50%Ti A=10; t=0.1[s] 5, ,74 4, ,65 A=1; t=1[s] 5, ,61 4, ,84 A=0.5; t=2[s] 2, ,74 6, ,25 k-50%k i k+50%k i k-50%k i k+50%k i k i T k i T T+50%T T-50%T T+50%T T-50%T A=10; t=0.1[s] -23,02-44,49-70,33-207,14 A=1; t=1[s] -20,68-29,12-68,10-153,99 A=0.5; t=2[s] 60, ,85 18, ,25 3. Podsumowanie W artykule ukazano symulacje wpływu zmiany parametrów układu regulacyjnego pr dko ci obrotowej turbinowego silnika odrzutowego dla ró nych wymusze impulsami rzeczywistymi na jego odpowiedzi. Przybli yły one problem doboru warto ci wymuszenia w trakcie symulacji układu potrzebnych do oceny jego jako ci regulacji. Badania potwierdziły tez, e w przypadku niektórych parametrów poprawienie jako ci regulacji układu od sygnału w pogarsza jako odpowiedzi od zakłócenia z. W kilku przypadkach warto tak e zwróci uwag, e zmiana parametrów (T, kr) powoduje mał zmian odpowiedzi układu od w, natomiast du od z. Bibliografia 1. Bodner W. A.: Automatyka silników lotniczych, Wyd. MON, Warszawa Balicki W., Szczeci ski S.: Diagnozowanie lotniczych silników turbinowych. Zastosowanie symulacyjnych modeli silników do wyboru i optymalizacji zbioru parametrów diagnostycznych, Biblioteka Naukowa Instytutu Lotnictwa, Warszawa Golak K.: Validity check of the assessment of a jet turbine engine regulation in flight using a computer simulation, Solid State Phenomena, Lindstedt P., Golak K., Borowczyk H.: Kompleksowa metoda predykcji własności użytkowych silnika turbinowego w locie na podstawie badań naziemnych, Problemy Bada i Eksploatacji Techniki Lotniczej, red. Lewitowicz J., Cwojdzi ski L., Kowalski M., Szczepanik R., Warszawa 2012.

14 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, Lindstedt P., Golak K.: Eksploatacyjne badania stanu zdatności turbinowego silnika odrzutowego, Prace Instytutu Lotnictwa, Z. 213 (2011), Warszawa Lindstedt P., Golak K.: Podstawy metody oceny stanu regulacji silnika w zmiennym otoczeniu, Journal of KONBIN, 2011, nr 1, Warszawa S. Szczeci ski: Napęd samolotu I-22 IRYDA, WPTiL nr 3/1995, Warszawa Lindstedt P,: Praktyczna regulacja maszyn i jej teoretyczne podstawy, Wyd. ITWL, Warszawa Szevjakow A.: Awtomatika awiacionnych i rakietnych siłowych ustanowok, Maszinostrojenije, Moskwa Szopli ski Z.: Badanie i projektowanie układów regulacji, WNT, Warszawa 1975.

15 74 Karol Golak, Paweł Lindstedt, Rafał Grądzki Badania symulacyjne silnika odrzutowego na ziemi i w locie ze standaryzacją sygnałów zadanych i zakłócających TURBINE JET ENGINE SIMULATION RESEARCH BASED ON GROUND AND FLIGHT TESTS WITH STANDARIZATION OF THE INPUT SIGNALS Summary Operating practice shows that special attention is paid to controll problems, because it gives the knowledge of the technical state of the system (because each adjustment made during maintenance indicates a change in the technical condition). Therefore, it is concluded that only properly adjusted technical system is used in the normal way optimal, and that any change in the technical state (wear) requires immediate appropriate new regulation and the corresponding update. This article presents the basic principles of simulation of a jet engine needed to assess the quality of its regulation. The study was based on the real inpulse signal (finite height and finite inpulse duration). This approach allows for better simulation studies correlate with actual tests conducted during ground trials. Keywords: turbine jet engine, regulation, simulation tests Karol Golak Zakład In ynierii Produkcji Wydział Mechaniczny Politechnika Białostocka Wiejska 45C, Białystok k.golak@pb.edu.pl Paweł Lindstedt Zakład Silników Lotniczych Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych Ksi cia Bolesława 6, Warszawa p.lindstedt@pb.edu.pl Rafał Gr dzki Katedra Automatyki i Robotyki Wydział Mechaniczny Politechnika Białostocka Wiejska 45C, Białystok r.gradzki@pb.edu.pl Karol Golak cz powy szej pracy wykonał w ramach projektu W/WM/7/2013 realizowanego w Politechnice Białostockiej. Rafał Gr dzki cz powy szej pracy wykonał w ramach projektu W/WM/9/2013 realizowanego w Politechnice Białostockiej.