Система автоматического управления расходом топлива камеры сгорания c изменяющимися условиями эксплуатации на базе виртуального измерителя оксидов азота

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.

1. Мингазов 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Титов Ю. К., Южаков А. А., Хижняков Ю. Н. Проектирование адаптивного нечеткого регулятора положения дозатора ВРД // Журнал Электротехника. 2018. № 11. С. 6—11.

8. Скрябин М. Л. Образование топливных оксидов азота в процессе горения углеводородного топлива // Молодой ученый. 2015. № 14 (94). С. 186—188.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Куценко Ю. Г. Методология проектирования малоэмиссионных камер сгорания ГТД на основе математических моделей физико-химических процессов: дис. ... дра техн. наук. Пермь, 2010. 193 c.

13. Смышляев А. О., Кутлин Н. А., Гильмутдинов А. М. Исследование содержания вредных выбросов газотурбинных установок // Научный журнал. 2019. № 6(40). С. 31—32.

14. 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.

15. 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.

16. Голубев В. А. Двухконтурные авиационные двигатели: Теория, расчет и характеристики: учебное пособие для вузов. М.: Изд-во МАИ, 1993. 166 с.

17. 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.

18. 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.

19. Дорошко С. М., Глазков А. С. Газотурбинные двигатели гражданскойавиации: учебное пособие. СПб.: СПбГУ ГА, 2019. 219 с.

20. Комаров Е. М. Методы уменьшения эмиссии вредных веществ в камерах сгорания ГТД и ГТУ // Машиностроение и компьютерные технологии. 2018. № 5. С. 9—29.

21. Лефер А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир, 1986. 566 с.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. Леоненков А. В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и FuzzyTech. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. 719 с.

28. Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы. М.: Горячая линия —Телеком, 2006. 452 c.