novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.25.251-258novtexmech-1553Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSСистема автоматического управления расходом топлива камеры сгорания c изменяющимися условиями эксплуатации на базе виртуального измерителя оксидов азотаAutomatic Fuel Flow Regulation System for the Combustion Chamber under Varying Operating Conditions Based on a Neural Nitrogen Oxide SensorСторожевС. А.StorozhevS. A.

С. А. Сторожев, канд. тех. наук, доц. кафедры, 

Пермь.

Perm, 614990.

cepra5@mail.ruНикулинВ. С.NikulinV. S.

В. С. Никулин, ассистент кафедры, 

Пермь.

Perm, 614990.

kalif23@yandex.ruХижняковЮ. Н.KhizhnyakovY. N.

Ю. Н. Хижняков, д-р техн. наук, доц., 

Пермь.

Perm, 614990.

H1941@yandex.ruЮжаковА. А.YuzhakovA. A.

А. А. Южаков, д-р техн. наук, проф.,

Пермь.

Perm, 614990.

uz@at.pstu.ruПермский национальный исследовательский политехнический университетРоссияPerm National Research Polytechnic UniversityRussian Federation202408052024255251258Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20242024Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1553

Создание экологически эффективных авиационных двигателей повышенной тяги требует совершенствования систем автоматического управления. Эксплуатация и увеличение числа воздушных судов делают авиацию одним из крупнейших источников выбросов вредных веществ, в частности оксидов азота, в процессе сгорания топлива. Особую сложность представляет управление камерой сгорания авиационного газотурбинного двигателя (ГТД), так как необходимо одновременно удовлетворять основные требования по обеспечению стабильной работы двигателя и минимизации выбросов оксидов азота.

В работе представлен новый подход к управлению камерой сгорания авиационного ГТД. Предложенное решение подразумевает коррекцию расхода топлива между коллекторами камеры сгорания за счет введения обратной связи по NOx в систему автоматического управления ГТД при использовании адаптивного виртуального нейронного измерителя оксидов азота с учетом режима работы в «жестком реальном времени» с обеспечением газодинамической устойчивости работы КС.

Газодинамическая устойчивость горения в камере сгорания обеспечивается равномерным распределением топливовоздушной смеси за счет поперечных пульсаций концентрации с помощью гомогенных и диффузионных коллекторов. При перераспределении топлива удерживается работа двигателя в устойчивом режиме, не допускается срыв пламени в камере сгорания и режим «виброгорения».

Полученные в пакете прикладных программ MATLAB результаты моделирования подтверждают эффективность нового подхода к построению системы автоматизированного управления расходом топлива камеры сгорания с использованием адаптивного виртуального нейронного измерителя оксидов азота. Предложенная система обладает высоким потенциалом снижения концентрации выбросов оксидов азота, повышения экологической эффективности при работе камеры сгорания авиационного ГТД.

The development of environmentally efficient high-thrust aviation engines requires the improvement of automatic control systems. The operation and increased number of aircraft make aviation one of the largest sources of emissions of harmful substances, particularly nitrogen oxides, during fuel combustion. A particular challenge is the control of the combustion chamber of aviation gas turbine engines (GTE), as it is necessary to simultaneously meet the fundamental requirements for ensuring the stable operation of the engine and minimizing the emissions of nitrogen oxides. This paper presents a new approach to the control of the combustion chamber of aviation GTE. The proposed solution involves adjusting the fuel consumption between the collectors of the combustion chamber by introducing feedback on NOx into the GTE automatic control system using an adaptive virtual neural nitrogen oxide measurer, considering real-time "hard" operation mode and ensuring gas-dynamic stability of the combustion chamber. Gas-dynamic stability of combustion in the combustion chamber is ensured by the uniform distribution of the fuel-air mixture through transverse pulsations of concentration using homogeneous and diffusive dosers. When redistributing fuel, the engine operates in a stable mode, preventing flameout in the combustion chamber and the "vibrating combustion" mode. The simulation results in the MATLAB software package confirm the effectiveness of the new approach to designing the fuel consumption control system of the combustion chamber using an adaptive virtual neural nitrogen oxide measurer. The proposed system has a high potential for reducing the concentration of nitrogen oxide emissions, thereby enhancing the ecological efficiency of the aviation GTE combustion chamber operation.

авиационный газотурбинный двигательсистема автоматического управлениянейронная сетьизмеритель оксидов азотаaviation gas turbine engineautomatic control systemneural networknitrogen oxide sensorReferencesМингазов Б. Г., Мухаметгалиев Т. Х. Исследование эмиссии токсичных веществ при впрыс-ке воды в камеру сгорания // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С. П. Королева (национального исследовательского университета). 2011. № 5(29). С. 203—207.Mingazov B. G., Mukhametgaliev T. Kh. Investigation of toxic substance emissions during water injection into the combustion chamber, Bulletin of the Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolev (National Research University), 2011, no. 5(29), pp. 203—207 (in Russian).Генбач А. А., Бондарцев Д. Ю., Илиев И. К. Пути повышения эффективности охлаждения камер сгорания и сопел ГТУ // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2021. Т. 13, № 3(51). С. 114—134.Genbach A. A., Bondartsev D. Yu., Iliev I. K. Ways to improve the efficiency of combustion chamber and nozzle cooling of gas turbine engines, Bulletin of the Kazan State Power Engineering University, 2021, vol. 13, no. 3(51), pp. 114—134 (in Russian).Наумова А. А. Экологичность камеры сгорания газотурбинной установки // Тинчуринские чтения — 2023 "Энергетика и цифровая трансформация": Матер. Междунар. молодежной научн. конф. Т. 2. Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2023. С. 725—727.Naumova A. A. Environmental friendliness of the gas turbine combustion chamber, Tinchurin Readings — 2023 "Energy and Digital Transformation": Materials of the International Youth Scientific Conference, 2023, vol. 2, pp. 725—727 (in Russian).Кузнецова Т. А., Августинович В. Г. Полуэмпирическая модель генерации оксидов азота в малоэмиссионной камере сгорания в составе системы управления авиационного двигателя // Прикладная математика и вопросы управления. 2022. № 2. С. 7—33. DOI 10.15593/2499-9873/2022.2.01.Kuznetsova T. A., Augustinovich V. G. Semi-empirical model of nitrogen oxide generation in a low-emission combustion chamber as part of an aviation engine control system, Applied Mathematics and Control Issues, 2022, no. 2, pp. 7—33, doi: 10.15593/2499-9873/2022.2.01 (in Russian).Hill R., Bateman I., O’Connor M. Review of NOx Emissions Reduction Technologies for Advanced Aero-Engine Systems // SAE Technical Paper Series. 2020. DOI: 10.4271/2020-01-1292.Hill R., Bateman I., O’Connor M. Review of NOx Emissions Reduction Technologies for Advanced Aero-Engine Systems, In SAE Technical Paper Series, 2020, doi: 10.4271/2020-01-1292.Barry R., McBride S., Druce T., Hill R., & Rocco M. The effect of fuel composition on the combustion and emissions characteristics of a dual-annular combustor at subsonic and supersonic conditions // 34th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 1998. P. 105.Barry R., McBride S., Druce T., Hill R., Rocco M. The effect of fuel composition on the combustion and emissions characteristics of a dual-annular combustor at subsonic and supersonic conditions, In 34th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 1998, p. 105.Титов Ю. К., Южаков А. А., Хижняков Ю. Н. Проектирование адаптивного нечеткого регулятора положения дозатора ВРД // Журнал Электротехника. 2018. № 11. С. 6—11.Titov Y. K. Design of an adaptive fuzzy controller for the fuel doser position. Yuzhakov A. A., Khizhnyakov Yu. N., Journal of Electrical Engineering, 2018, no. 11, pp. 6—11 (in Russian).Скрябин М. Л. Образование топливных оксидов азота в процессе горения углеводородного топлива // Молодой ученый. 2015. № 14 (94). С. 186—188.Skryabin M. L. Formation of fuel nitrogen oxides during the combustion of hydrocarbon fuel, Young Scientist, 2015, no. 14 (94), pp. 186—188 (in Russian).Ткаченко Д. П. Экспериментальные исследования эмиссии NOx комбинированного фронтового устройства для перспективной камеры сгорания ВРД: Дис. ... канд. техн. наук: 05.07.05. М., 2006. 127 с.Tkachenko D. P. Experimental studies of NOx emissions of a combined frontal device for a perspective combustion chamber of a gas turbine engine: Dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences: 05.07.05, Moscow, 2006, 127 p (in Russian).Мильтон Т. С. Обеспечение экологичности камер сгорания газотурбинных установок, проектируемых на базе авиационных технологий: Дис. ... канд. техн. наук: 05.14.16. М., 2000. 88 с.Milton T. S. Ensuring the environmental friendliness of gas turbine engine combustion chambers designed based on aviation technologies: Dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences: 05.14.16, Moscow, 2000, 88 p. (in Russian).Lamont W. G., Jones A. M., Cox R. P. A wind tunnel study of turbulent dispersion in street canyons with vegetation // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2003. Vol. 91, N. 8. P. 713—728.Lamont W. G., Jones A. M., Cox R. P. A wind tunnel study of turbulent dispersion in street canyons with vegetation, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2003, vol. 91, no. 8, pp. 713—728.Куценко Ю. Г. Методология проектирования малоэмиссионных камер сгорания ГТД на основе математических моделей физико-химических процессов: дис. ... дра техн. наук. Пермь, 2010. 193 c.Kutsenko Yu. G. Methodology for designing low-emission gas turbine engine combustion chambers based on mathematical models of physico-chemical processes: doctoral dissertation, Perm, 2010, 193 p (in Russian).Смышляев А. О., Кутлин Н. А., Гильмутдинов А. М. Исследование содержания вредных выбросов газотурбинных установок // Научный журнал. 2019. № 6(40). С. 31—32.Smyshlyaev A. O., Kutlin N. A., Gilmutfdinov A. M. Study of harmful emissions content of gas turbine engine, Scientific Journal, 2019, no. 6(40), pp. 31—32 (in Russian).Druce T. A., Barry R. D., Hill C. M., Roach J. R. Transient combustion simulations in a dual-annular rocket combustor using a detailed chemical mechanism // Combustion science and technology. 1996. Vol. 124, N. 1—6. P. 235—263.Druce T. A., Barry R. D., Hill C. M., Roach J. R. Transient combustion simulations in a dual-annular rocket combustor using a detailed chemical mechanism, Combustion science and technology, 1996, vol. 124, no. 1—6, pp. 235—263.Цыбизов Ю. И., Лукачев С. В., Бирюк В. В., Горшкалев А. А. Многофорсуночная камера сгорания — основа технологии обеспечения экологической безопасности авиационных газотурбинных двигателей // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: Матер. докладов междунар. науч.-техн. конф. Самара, 22—24 июня 2016 года. Самара: зд. Самарского национального исследовательского университета имени академика С. П. Королева, 2016. С. 220—221.Tsybizov Yu. I., Lukachev S. V., Biryuk V. V., Gorshkalev A. A. Multi-burner combustion chamber — the basis of technology for ensuring the environmental safety of aviation gas turbine engines, Problems and Prospects of Engine Building: Proceedings of the International Scientific and Technical Conference, Samara, June 22—24, 2016, pp. 220—221 (in Russian).Голубев В. А. Двухконтурные авиационные двигатели: Теория, расчет и характеристики: учебное пособие для вузов. М.: Изд-во МАИ, 1993. 166 с.Golubev V. A. Two-circuit aircraft engines: Theory, calculation and characteristics: textbook for higher education institutions, Moscow, Publishing house of MAI, 1993, 166 p.(in Russian).Campa G., Cademartori R. Influence of Nonlinear Flame Models on Thermoacoustic Instabilities in Combustion Chambers // Proceedings of ASME Conf. Turbo Expo, Seoul, June 13—17, 2016. Seoul, 2016. P. 11. DOI: 10.1115/GT2016-57129.Campa G. Cademartori R. Influence of Nonlinear Flame Models on Thermoacoustic Instabilities in Combustion Chambers, Proceedings of ASME Conf. Turbo Expo, Seoul, June 13—17, 2016, pp. 11, doi: 10.1115/GT2016-57129.Митрофанов В. А., Рудаков О. А., Сигалов Ю. В. и др. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. Основы теории и алгоритм расчета: Учеб. пособ. Санкт-Петербург: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. 89 с.Mitrofanov V. A., Rudakov O. A., Sigalov Yu. V. et al. Combustion chambers of gas turbine engines. Fundamentals of theory and calculation algorithm, Saint Petersburg, Publishing house of Polytechnic University, 2006, 89 p. (in Russian).Дорошко С. М., Глазков А. С. Газотурбинные двигатели гражданскойавиации: учебное пособие. СПб.: СПбГУ ГА, 2019. 219 с.Doroshko S. M., Glazkov A. S. Gas turbine engines for civil aviation, Saint Petersburg, Publishing house of SPbGU (in Russian).Комаров Е. М. Методы уменьшения эмиссии вредных веществ в камерах сгорания ГТД и ГТУ // Машиностроение и компьютерные технологии. 2018. № 5. С. 9—29.Komarov E. M. Methods of reducing harmful substance emissions in gas turbine engine and unit combustion chambers, Mechanical Engineering and Computer Technologies, 2018, no. 5, pp. 9—29 (in Russian).Лефер А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир, 1986. 566 с.Lefer A. Processes in Gas Turbine Engine Combustion Chambers, Moscow, Mir, 1986, 566 p.Арбеков А., Вараксин А., Иванов В. и др. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. М.: Изд. МГТУ им. Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет), 2017. 680 с.Arbekov A., Varaksin A., Ivanov V. et al. Theory and Design of Gas Turbine and Combined Installations, Moscow, Publishing house of Bauman Moscow State Technical University (National Research University), 2017, 680 p. (in Russian).Никулин В. С., Сторожев С. А., Абдуллин Д. М., Хижняков Ю. Н. Адаптивный виртуальный измеритель вредных веществ в камере сгорания ГТД с применением нечеткой технологии // Труды МАИ. 2021. № 116. С. 11. DOI: 10.34759/trd-2021-116-11.Nikulin V. S., Storozhev S. A., Abdullin D. M., Khizhnyakov Yu. N. Adaptive Virtual Emission Measurement in Gas Turbine Engine Combustion Chamber using Fuzzy Technology, Proceedings of MAI, 2021, no. 116, pp. 11, doi: 10.34759/trd-2021-116-11 (in Russian).Андриевская Н. В., Андриевский О. А., Кузнецов М. Д. и др. Нейронечеткое управление выбросами вредных веществ авиационного газотурбинного двигателя // Мехатроника, автоматизация, управление. 2020. Т. 21, № 6. С. 348—355. DOI 10.17587/mau.21.348-355.Andrievskaya N. V., Andrievsky O. A., Kuznetsov M. D. et al. Neuro-fuzzy Control of Harmful Substances Emissions in Aircraft Gas Turbine Engine, Mekhatronica, Automatizatsiya, Upravlenie, 2020, vol. 21, no. 6, pp. 348—355, doi: 10.17587/mau.21.348-355 (in Russian).Южаков А. А., Хижняков Ю. Н., Сторожев С. А., Никулин В. С. Адаптивный нечеткий измеритель температуры камеры сгорания газотурбинного двигателя // Электротехника. 2022. № 11. С. 6—11. DOI: 10.53891/00135860_2022_11_6.Yuzhakov A. A., Khizhnyakov Yu. N., Storozhev S. A., Nikulin V. S. Adaptive Fuzzy Temperature Measurement in Gas Turbine Engine Combustion Chamber, Electrotechnics, 2022, no. 11, pp. 6—11, doi: 10.53891/00135860_2022_11_6 (in Russian).Антонов В. Н., Терехов В. А., Тюкин И. Ю. Адаптивное управление в технических системах: Учеб. пособ. СПб.: Изд-во С.- Петерб. ун-та, 2001. 244 с.Antonov V. N., Terekhov V. A., Tyukin I. Yu. Adaptive Control in Technical Systems, St. Petersburg, Publishing House of St. Petersburg University, 2001, 244 p (in Russian).Леоненков А. В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и FuzzyTech. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. 719 с.Leonenkov A. V. Fuzzy Modeling in MATLAB and FuzzyTech Environment, Moscow, 2005, 736 p (in Russian).Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы. М.: Горячая линия —Телеком, 2006. 452 c.Rutkovskaya D., Pilinski M., Rutkovsky L. Neural Networks, Genetic Algorithms, and Fuzzy Systems, Moscow, Hot Line — Telecom, 2006, 452 p (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.