Методы построения и устройства систем управления твердотопливными энергетическими установками

Поисковые и опытно-конструкторские работы по исследованию и созданию управляемых энергетических установок на твёрдом топливе проводятся во многих странах. Разработка таких двигателей и газогенерирующих установок связана для исследователей и конструкторов с нахождением комплексных решений по ряду принципиально сложных физических и технологических задач, только в последние десятилетия (в России — в 70-х годах), позволивших утвердительно ответить на саму возможность их производства и успешно реализовать такие проекты различного назначения. Патентная активность и открытые научные публикации позволяют в основном косвенно судить о технологическом уровне современных разработок в данной научно-технической области. Отсутствие информационного избытка об экспериментальных испытаниях и серийном производстве таких изделий, вероятно, связано с их первоначальной ориентацией на решение специальных задач в технике военного назначения. Однако, в нашей стране за последние десять лет, появились монографии [1,2], подробно отражающие теорию, проблематику, различные решения и экспериментальные достижения российских научно-исследовательских коллективов в этой области. При этом в качестве газогенерирующих устройств возможно их. применение в различных космических, наземных и морских энергоустановках (МГД-генераторах, газотурбинных приводах глубоководных аппаратов и др.).

Управляемыми ЭУТТ являются твердотопливные двигатели или газогенераторы с замкнутыми системами управления внутридвигательными параметрами, способными обеспечить в расчётном диапазоне требуемую величину вектора тяги или массовый расход продуктов сгорания. Это достигается, по сравнению с неуправляемыми РДТТ [3,4], повышенным уровнем конструктивной сложности и, как правило, снижением энергомассовых характеристик. Однако, в обоснованных случаях, возможности успешного решения различных задач с их помощью многократно возрастают или без их применения другими способами невозможно.

В связи с этим, одной из важных научно-технических проблем в данной области являются определённые ограничения на энергетику применяемых твёрдых топлив, внутрикамерные температуры и состав продуктов сгорания. Действующие способы непрерывного управления расходными или тяговыми характеристиками ЭУТТ имеют ограничения по рабочим температурам в камере до 2000 К и поэтому используют, как правило, не металлизированные топлива с пониженной энергетикой. Современные неуправляемые РДТТ с высокой надёжностью работают при температурах газовой фазы продуктов сгорания свыше 3000 К, соответственно развивают существенно больший удельный импульс и имеют превосходящие энергомассовые характеристики [1,5,6]. Поэтому актуальным направлением развития ЭУТТ является поиск способов непрерывного управления их внутренней баллистикой и конструктивных схем, допускающих использование высокоэнергетических топливных составов без ограничений по времени работы [1]. При этом не менее сложной задачей является реализация режимов многоразового включения (повторно-кратковременных режимов работы) по аналогии с возможностями ЖРД [7]. Следующей группой задач можно назвать решение вопросов обеспечения требуемых динамических характеристик и устойчивости работы ЭУТТ на различных режимах, в частности поиск новых методов предотвращения или подавления резонансного горения твёрдотопливных зарядов. Аномальные внутрикамерные акустические эффекты, несмотря на редкость их возникновения, способны за короткий промежуток времени нарушить работоспособность системы управления и привести к полному отказу всего изделия [8].

Целью данной работы является разработка новых методов и устройств управления твёрдотопливными энергетическими установками с воздействием на внутрикамерные процессы с помощью электрического тока для проектирования систем автоматического управления, не имеющих термои газодинамических ограничений по энергетике применяемых топлив, составу продуктов сгорания и времени работы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: исследовать процессы горения твёрдых топлив воздействием электрического тока для управления массовым расходом продуктов сгорания энергоустановокразработать метод управления зажиганием твёрдого топлива под воздействием электрического тока для организации многократного включения ЭУТТразработать метод подавления резонансных внутрикамерных процессов горения твёрдых топливразработать микропроцессорный комплекс для исследования параметров объекта управления в реальном режиме времени с целью построения математической модели объекта.

В первой главе диссертации выполнен сравнительный анализ различных физических способов и технических систем непрерывного управления внутри-камерными процессами в ЭУТТ. На основании открытых литературных источников рассмотрены общие характеристики процессов в объекте управления, известные способы регулирования массового расхода продуктов сгорания (газодинамические, акустические, метод теплового ножа и др.), методы организации многократного включения энергоустановок и подавления резонансного горения твёрдых топлив. В результате проведённого анализа показаны их известные достоинства и недостатки, сформулированы требования к устройствам автоматического управления ЭУТТ и поставлены задачи исследования.

Во второй главе сформулированы и обоснованы новые теоретические принципы и варианты решения задач управления внутрикамерными процессами энергоустановок для регулирования массового расхода топлива, контроля и подавления акустических резонансов, организации многократного включения ЭУТТ, основанные на электротермическом воздействии электрического тока на поверхность горения твёрдого топлива.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований электрических свойств модельных энергетических конденсированных систем и электротермических эффектов форсирования скорости горения топлив с варьируемым составом. Для этого разработаны специальный микропроцессорный комплекс, программное обеспечение, методики проведения экспериментов и конструкции образцов модельных зарядов. Полученные результаты использовались при построении математической модели объекта управления.

В четвёртой главе на основании предложенных решений (глава 2) и результатов экспериментов (глава 3) выполнен синтез комбинированной системы автоматического управления ЭУТТ по внутридвигательным параметрам, программно реализующей: регулирование массового расхода продуктов сгоранияконтроль и подавление возможных резонансных внутрикамерных процессовуправляемый запуск и режимы многократного включения.

Научная новизна и практическая ценность результатов работы заключается в исследовании и разработке способов и устройств управления параметрами твердотопливных энергоустановок с электротермическим воздействием на внутрикамерные процессы горения ЭКС. При этом, несмотря на принципиальное отсутствие термодинамических ограничений, перспективность предложенных технических решений будет определяться, в первую очередь, удельными энергозатратами на реализацию различных циклограмм работы систем автоматического управления в ЭУТТ конкретного назначения.

Практическое использование результатов работы направлено на дальнейшее совершенствование тактико-технических и эксплуатационных характеристик различных твердотопливных энергоустановок и ориентировано на решение следующих задач: регулирование массового расхода продуктов сгорания газогенерирующих или двигательных установок малой тяги (до 1 кН) — управляемые зажигание, останов и реализация повторно-кратковременных режимов работы ЭУТТ, с паузами в выключенном состоянии порядка 10 сподавление неустойчивых и колебательных режимов горения ЭКС в примерном диапазоне 100 Гц -100 кГцкомпенсация технологических разбросов баллистических характеристик твёрдых топлив и случайных возмущений в ЭУТТ.

Предложенные и исследуемые методы решения перечисленных задач непосредственно связаны с разработкой новых физических способов непрерывного управления процессами горения твёрдых топлив и созданием на их основе элементов и устройств систем автоматического управления твердотопливными энергетическими установками.

Выводы по четвёртой главе.

1. Разработана функциональная схема системы управления ЭУТТ с детализацией, достаточной для практического исполнения. Характерной особенностью предложенного устройства управления, является разработка надёжного программного обеспечения для микропроцессорных элементов, превосходящих по быстродействию постоянную времени объекта при минимальном (начальном) свободном объёме камеры сгорания.

2. Предложена математическая модель внутрикамерных процессов в ЭУТТ под воздействием электрического тока, позволяющая оценивать динамические свойства объекта по характеристикам давления продуктов сгорания, массовому расходу топлива и модулю тяги.

3. Полученная математическую модель объекта управления является упрощённой. Однако, результаты моделирования динамики его переходных процессов под воздействием электрического тока, отвечающие инерционному звену первого порядка, не противоречат известным опытным данным динамических характеристик обычных неуправляемых ЭУТТ. Например, свободный объём камеры сгорания, определяющий её- постоянную времени, является величиной переменной и достигает максимума при полном выгорании топлива. В принятых условиях моделирования изменение объёма камеры незначительно.

4. Длительность переходных процессов в замкнутой САР ЭУТТ существенно зависит от мгновенной выходной электрической мощности регулятора и определяется свойствами бортового источника электропитания системы. Электронные генератор ШИМ и импульсный преобразователь (исполнительное устройство) по сравнению с постоянной времени камеры сгорания являются практически безинерционными.

5. Предложенные методы и устройства управления внутрикамерными процессами горения твёрдых топлив могут быть использованы в энергетических установках раздельного снаряжения и гибридных двигателях [75].

6. Предложенные методы управления параметрами твёрдотопливных энергетических установок не имеют внутрикамерных исполнительных устройств, используют общую элементную базу и реализуются в САУ с помощью изменения параметров одного управляющего воздействия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Исследован и реализован новый метод управления скоростью горения твёрдых топлив, основанный на воздействии электрического тока на поверхность горения, что позволяет регулировать расходные и тяговые характеристики твёрдотопливных энергетических установок (патент РФ № 2 175 399). Установлено, что электротермический эффект форсирования скорости горения твёрдых топлив не зависит от формы тока, а определяется его действующей мощностью. При давлениях газовой фазы продуктов сгорания 0,1 и 1.6 МПа для исследованных образцов модельных составов получено увеличение скорости горения до 4 раз. Удельные энергозатраты на регулирование массового расхода топлива снижаются с повышением энергетики топлив. Под действием электрического тока обнаружено устойчивое горение твёрдых топлив при атмосферном давлении и сформулированы требования к устройствам контроля и управления процессом.

2. Предложен новый метод контроля и подавления резонансных режимов горения твёрдых топлив в диапазоне порядка 100 Гц. .100 кГц, основанный на гармоническом анализе пульсаций давления в камере сгорания энергоустановок путём контроля модуляций электропроводности поверхности горения и перестройки фазо-частотных параметров управляющего воздействия в составе замкнутой системы автоматического управления расходом продуктов сгорания (патент РФ № 2 208 694).

3. Предложенный метод многократного включения энергоустановок экспериментально апробирован для различных модельных смесевых твёрдых топлив при атмосферном давлении с паузами прерывания горения 20−30 с. Для сохранения поверхности горения топлива (реакционной зоны ЭКС) в электропроводном состоянии действующая мощность электрического тока составила менее 3 Вт/см .

4. Предложена структура микропроцессорного устройства, реализующего метод многократного включения ЭУТТ. Для организации данных функций в структуру устройства управления расходом топлива не требуется вносить дополнительных аппаратных изменений, оно дополняется только программными алгоритмами реализации повторно-кратковременных режимов работы.

5. Разработано микропроцессорное устройство со специализированным программным обеспечением для исследования процессов горения твёрдых топ-лив под действием электрического тока (свидетельство о регистрации программы № ГР50 200 801 456). Апробирован метод определения средней скорости горения твёрдых топлив в составе программно-аппаратного комплекса автоматизированного проведения экспериментов с относительной погрешностью 8 <5%.

6. Разработаны функциональный состав, структурная схема и выполнено моделирование устройства управления массовым расходом продуктов сгорания с широтно-импульсным регулированием мощности тока в твёрдом топливе. Применение регулятора с ШИМ напряжения на объекте управления обусловлено необходимостью обеспечения его максимального КПД на различных режимах работы при действующих мощностях порядка 10 кВт.

7. Предложены конструкции твёрдотопливных зарядов с плёночной электродной структурой и расчёт их электрических характеристик, позволяющие, в частности, использовать в электротермической системе управления ЭУТТ низковольтный источник электропитания (?/<12 В). Диагностику технического состояния твёрдотопливного заряда перед включением ЭУТТ предлагается выполнять с помощью элементов и устройств, предложенной САУ, по контрольным измерениям активного электрического сопротивления и ё-мкости заряда.