Badania symulacyjne silnika odrzutowego na ziemi i w locie ze standaryzacją sygnałów zadanych i zakłócających

Streszczenie

Praktyka eksploatacyjna pokazuje, że szczególną uwagę przywiązuje się do pro-blemów regulacyjnych ponieważ tylko odpowiednio wyregulowany układ techniczny zużywa się w sposób normalny – optymalny i każda zaistniała zmiana stanu technicz-nego 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 od-rzutowego potrzebnych do oceny jakości jego regulacji. Badania oparto na sygnale impulsowym rzeczywistym (skończona wysokość impulsu i skończony czas trwania im-pulsu). 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 uĪytkowany w trakcie lotu

Lotniczy turbinowy silnik odrzutowy badany jest podczas okresowych przeglądów kontrolnych, oraz po przeprowadzonych naprawach w trakcie standardowej próby naziemnej przeprowadzanej na hamowni. Odbywa siĊ ona według ĞciĞle okreĞlonego programu. W jej trakcie oceniany jest przebieg prĊdkoĞci obrotowej silnika (okreĞlona jest jej wartoĞü, prĊdkoĞci zmiany oraz czas utrzymywania) zadawanej za pomocą dĨwigni sterowania silnikiem (DSS). Wymuszenie zadawane wiĊc jest do regulatora.

Natomiast w trakcie jego uĪytkowania (w trakcie lotu) sygnały zakłócenia pochodzące zarówno od warunków atmosferycznych (podmuchy wiatru, zmiana ciĞnienia) jak i wynikających z pracy samolotu (ciasne zwroty, odpalenie rakiet, przejĊcie strugi powietrza z drugiego silnika w locie grupowym) nabierają duĪej mocy, a przez to i znaczenia dla jakoĞci pracy silnika. Zakłócenia w trakcie lotu oddziałują na obiekt (silnik). W trakcie prób silnika przeprowadzanych na hamowni sygnały zakłócenia posiadają małą moc i przez to mają mały wpływ na działanie silnika [3, 4, 8].

Schemat funkcjonalny układu regulacyjnego turbinowego silnika odrzutowego przedstawia rysunku 1.

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].

Na podstawie powyĪszego schematu i przy wykorzystaniu transmitancji oraz wartoĞci parame-trów elementów silników odrzutowych [1, 10] zaproponowano uproszczony model układu regulacji prĊdkoĞci obrotowej turbinowego silnika odrzutowego przedstawiony na rysunku 2.

Rys. 2. Uproszczony układ regulacji prędkości obrotowej turbinowego silnika odrzutowego ħródło: [3, 9].

Praktyka eksploatacyjna wykazała, Īe jakoĞü pracy silnika badana od wymuszeĔ działających na regulator „w” jest róĪna od jakoĞci wyznaczonej od zakłóceĔ działających na obiekt „z”. Dochodzi wiĊc do sytuacji, Īe jakoĞü pracy silnika badana jest od wymuszeĔ oddziałujących na regulator, natomiast silnik uĪytkowany jest od zakłóceĔ oddziałujących na obiekt. Prowadzi to do konkluzji, Īe prawidłowo wyregulowany podczas próby naziemnej silnik moĪe byü nieodpowiednio wyregulowany do pracy w trakcie lotu. Stąd wynika potrzeba badania jakoĞci silnika w locie na podstawie badaĔ naziemnych [5, 6].

2. Zasady badaĔ symulacyjnych silnika odrzutowego potrzebnych do oceny jakoĞci jego regulacji.

NajwiĊkszy wpływ na pracĊ silnika w trakcie lotu mają zakłócenia o charakterze krótkotrwałym, gdyĪ w razie wystąpienia długotrwałych zmian warunków lotu (ciĞnienie, temperatura) wpływających na zmianĊ parametrów obiektu nastawy regulatora automatycznie kompensują ich wpływ na działanie silnika. Stąd badania jakoĞci regulacji oparto na sygnale impulsowym rzeczywistym o skoĔczonej wysokoĞci impulsu i skoĔczonym czasie jego trwania.

Na potrzeby symulacji przyjĊto wymuszenia impulsowe o nastĊpujących amplitudach i czasach trwania:

• Amplituda=10; t=0.1[s]; • Amplituda=1; t=1[s]; • Amplituda=0,5; t=2[s];

Sygnały są tak dobrane, aby pomimo róĪnej amplitudy i czasu trwania pole powierzchni impulsu, a przez to jego moc były takie same. W symulacji wymuszenia są w postaci impulsu rzeczywistego, aby odwzorowaü rzeczywiste zakłócenia działające na obiekt.

W trakcie przebiegającej w trakcie prób naziemnych (na hamowni) regulacji turbinowego silnika odrzutowego moĪliwa jest zmiana nastaw parametrów regulatora (kr – wzmocnienia regulatora i Ti – stałej czasowej regulatora). Wraz ze zmianą warunków lotu (wysokoĞü lotu, a wraz

z tym temperatura, ciĞnienie powietrza, zmiana składu powietrza) moĪliwa jest zmiana parametrów obiektu (k – wzmocnienia obiektu oraz T – stałej czasowej obiektu). Stąd teĪ symulacyjne badania jakoĞci stanu regulacji turbinowego silnika odrzutowego powinny opieraü siĊ na badaniu wpływu zamiany tych parametrów na przebieg jego prĊdkoĞci obrotowej zarówno od wartoĞci zadawanej na regulator (w trakcie prób naziemnych), jak i od zakłócenia działającego na obiekt (w trakcie uĪytkowania silnika).

Do symulacji przyjĊto nastĊpujące wartoĞci 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 są parametrami nieliniowymi, a na potrzeby symulacji modelu uproszczonego przyjĊto ich wartoĞü uĞrednioną.

W wyniku symulacji zbadano wpływ zamiany parametrów modelu (rys. 2.) o 50% ich wartoĞci początkowej zarówno dla wymuszenia sygnałem „w” jak i „z”. Wyniki symulacji zostały pokazane na rys. 3 – rys. 17. Czerwonym markerem oznaczone są dodatkowo przebiegi odpowiadające odpowiedziom dla badanego parametru zwiĊkszonego o 50% jego wartoĞci początkowej, a w wypadku rys. 15-rys.17 równoczesnej zmianie parametrów: k+50% i T-50%.

Rys. 3 – rys.5 ukazują wpływ zmiany parametru dla k-50%k; k ; k+50%k Rys. 6 – rys.8 ukazują wpływ zmiany parametru dla T-50%T; T; T+50%T Rys. 9 – rys.11 ukazują wpływ zmiany parametru dla kr-50%kr; kr ; kr+50%kr Rys. 12 – rys.14 ukazują wpływ zmiany parametru dla Ti-50%Ti; Ti ; Ti+50%Ti

Rys. 15 – rys.17 ukazują wpływ zmiany parametru dla k-50%k i T+50%T; k i T ; k+50%k i T-50%T

Rys. 4. Wpływ zmiany parametru k na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=1, t=1 ħródło: opracowanie własne.

Rys. 5. Wpływ zmiany parametru k na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=0.5, t=2 ħródło: opracowanie własne.

Rys. 6. Wpływ zmiany parametru T na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=10, t=0.1 ħródło: opracowanie własne.

Rys. 8. Wpływ zmiany parametru T na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=0.5, t=2 ħródło: opracowanie własne.

Rys. 9. Wpływ zmiany parametru kr na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=10, t=0.1 ħródło: opracowanie własne.

Rys. 10. Wpływ zmiany parametru kr na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=1, t=1 ħródło: opracowanie własne.

Rys. 12. Wpływ zmiany parametru Ti na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=10, t=0.1 ħródło: opracowanie własne.

Rys. 13. Wpływ zmiany parametru Ti na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=1, t=1 ħródło: opracowanie własne.

Rys. 14. Wpływ zmiany parametru Ti na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=0.5, t=2 ħródło: opracowanie własne.

Rys. 16. Wpływ zmiany parametrów k i T na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=1, t=1 ħródło: opracowanie własne.

Rys. 17. Wpływ zmiany parametrów k i T na odpowiedź na wymuszenie sygnałem A=0.5, t=2 ħródło: opracowanie własne.

JakoĞü regulacji układów po zmianach sygnałów została oceniona przez wskaĨnik całkowy – całkĊ kwadratu uchybu regulacji:

[

]

( )

( )

I

e t

e

dt

=

³

− ∞

Całkowe wskaĨniki jakoĞci regulacji dla zmian parametrów modelu zostały ukazane w tab.1. Tab. 1. Całkowe wskaźniki jakości dla odpowiedzi na różne wymuszenia

wymuszenie _k-50%k I dla odpowiedzi od „w” _{k k+50%k k-50%k} I dla odpowiedzi od „z” _{k k+50%k} A=10; t=0.1[s] 3.98 5.17 6.02 0.0078 0.0182 0.0288 A=1; t=1[s] 3.92 4.98 5.66 0.0073 0.0163 0.0247 A=0.5; t=2[s] 1.75 1.36 1.21 0.0018 0.0016 0.0014 T-50%T T T+50%T T-50%T T T+50%T A=10; t=0.1[s] 6.03 5.17 4.95 0.0351 0.0182 0.0124 A=1; t=1[s] 5.50 4.98 4.84 0.0283 0.0163 0.0116 A=0.5; t=2[s] 1.12 1.36 1.71 0.0014 0.0016 0.0020 kr-50%kr kr kr+50%kr kr-50%kr kr kr+50%kr A=10; t=0.1[s] 3.98 5.17 6.02 0.0311 0.0182 0.0128 A=1; t=1[s] 3.92 4.98 5.66 0.0292 0.0163 0.0110 A=0.5; t=2[s] 1.75 1.36 1.21 0.0072 0.0016 0.0006

Ti-50%Ti Ti Ti+50%Ti Ti-50%Ti Ti Ti+50%Ti A=10; t=0.1[s] 5.43 5.17 5.08 0.0190 0.0182 0.0179 A=1; t=1[s] 5.24 4.98 4.90 0.0171 0.0163 0.0160 A=0.5; t=2[s] 1.40 1.36 1.35 0.0016 0.0016 0.0015 k-50%k i T+50%T k i T k+50%k i T-50%T k-50%k i T+50%T k i T k+50%k i T-50%T A=10; t=0.1[s] 3.98 5.17 7.47 0.0054 0.0182 0.0559 A=1; t=1[s] 3.95 4.98 6.43 0.0052 0.0163 0.0414 A=0.5; t=2[s] 2.18 1.36 1.09 0.0019 0.0016 0.0015

Analizując wartoĞci całkowych wskaĨników jakoĞci dochodzi siĊ do wniosku, Īe zmiana tego wskaĨnika od wymuszenia sygnałem „z” (w locie) jest wiĊksza od zmiany tego wskaĨnika wyzna-czonego od wymuszenia sygnałem „w” (na ziemi).

Tab. 2. Względne całkowe wskaźniki jakości dla odpowiedzi na różne wymuszenia

wymuszenie _k-50%k I dla odpowiedzi od „w” [%] _{k k+50%k k-50%k} I dla odpowiedzi od „z” {%} _{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] 28,68 - -11,03 12,50 - -12,50 T-50%T T T+50%T T-50%T T T+50%T A=10; t=0.1[s] 16,63 - -4,26 92,86 - -31,87 A=1; t=1[s] 10,44 - -2,81 73,62 - -28,83 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 70,88 - -29,67 A=1; t=1[s] -21,29 - 13,65 79,14 - -32,52 A=0.5; t=2[s] 28,68 - -11,03 350,00 - -62,50

Ti-50%Ti Ti Ti+50%Ti Ti-50%Ti Ti Ti+50%Ti A=10; t=0.1[s] 5,03 - -1,74 4,40 - -1,65 A=1; t=1[s] 5,22 - -1,61 4,91 - -1,84 A=0.5; t=2[s] 2,94 - -0,74 6,25 - -6,25 k-50%k i T+50%T k i T k+50%k i T-50%T k-50%k i T+50%T k i T k+50%k i 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] 60,29 - -19,85 18,75 - -6,25 3. Podsumowanie

W artykule ukazano symulacje wpływu zmiany parametrów układu regulacyjnego prĊdkoĞci obrotowej turbinowego silnika odrzutowego dla róĪnych wymuszeĔ impulsami rzeczywistymi na jego odpowiedzi. PrzybliĪyły one problem doboru wartoĞci wymuszenia w trakcie symulacji układu potrzebnych do oceny jego jakoĞci regulacji. Badania potwierdziły tezĊ, Īe w przypadku niektórych parametrów poprawienie jakoĞci regulacji układu od sygnału „w” pogarsza jakoĞü odpowiedzi od zakłócenia „z”. W kilku przypadkach warto takĪe zwróciü uwagĊ, Īe zmiana parametrów (T, kr) powoduje małą zmianĊ odpowiedzi układu od „w”, natomiast duĪą od „z”.

Bibliografia

1. Bodner W. A.: Automatyka silników lotniczych, Wyd. MON, Warszawa 1958.

2. Balicki W., SzczeciĔski S.: Diagnozowanie lotniczych silników turbinowych. Zastosowanie symulacyjnych modeli silników do wyboru i optymalizacji zbioru parametrów diagnostycz-nych, Biblioteka Naukowa Instytutu Lotnictwa, Warszawa 2001.

3. Golak K.: Validity check of the assessment of a jet turbine engine regulation in flight using a computer simulation, Solid State Phenomena, 2013

4. Lindstedt P., Golak K., Borowczyk H.: Kompleksowa metoda predykcji własności użytko-wych silnika turbinowego w locie na podstawie badań naziemnych, Problemy BadaĔ i Eksploatacji Techniki Lotniczej, red. Lewitowicz J., CwojdziĔski L., Kowalski M., Szcze-panik R., Warszawa 2012.

5. Lindstedt P., Golak K.: Eksploatacyjne badania stanu zdatności turbinowego silnika odrzu-towego, Prace Instytutu Lotnictwa, Z. 213 (2011), Warszawa 2011

6. Lindstedt P., Golak K.: Podstawy metody oceny stanu regulacji silnika w zmiennym otocze-niu, Journal of KONBIN, 2011, nr 1, Warszawa 2011

7. S. SzczeciĔski: Napęd samolotu I-22 IRYDA, WPTiL nr 3/1995, Warszawa 1995.

8. Lindstedt P,: Praktyczna regulacja maszyn i jej teoretyczne podstawy, Wyd. ITWL, War-szawa 2010.

9. Szevjakow A.: Awtomatika awiacionnych i rakietnych siłowych ustanowok, Maszinostroje-nije, Moskwa 1970.

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, be-cause it gives the knowledge of the technical state of the system (bebe-cause 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 im-mediate 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 InĪynierii Produkcji Wydział Mechaniczny Politechnika Białostocka Wiejska 45C, 15-351 Białystok e-mail: k.golak@pb.edu.pl Paweł Lindstedt

Zakład Silników Lotniczych

Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych KsiĊcia Bolesława 6, 01-494 Warszawa e-mail: p.lindstedt@pb.edu.pl

Rafał Grądzki

Katedra Automatyki i Robotyki Wydział Mechaniczny

Politechnika Białostocka Wiejska 45C, 15-351 Białystok e-mail: r.gradzki@pb.edu.pl

Karol Golak czĊĞü powyĪszej pracy wykonał w ramach projektu W/WM/7/2013 realizowanego w Politechnice Białostockiej.

Rafał Grądzki czĊĞü powyĪszej pracy wykonał w ramach projektu W/WM/9/2013 realizowanego w Politechnice Białostockiej.