авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Методы построения и устройства систем управления твёрдотопливными энергетическими установками

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Хоружий Игорь Владимирович

Методы построения и устройства систем управления твёрдотопливными энергетическими Установками

Специальность: 05.13.05 – «Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск - 2009

Работа выполнена на кафедре «Автоматика и телемеханика» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лачин Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор,

Прокопенко Николай Николаевич

доктор технических наук, ст. научный сотрудник,

Кириевский Евгений Владимирович

Ведущая организация: Технологический институт Южного федерального

университета в г. Таганроге.

Защита состоится 26 февраля 2010 года в 12 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.304.02 при ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)». С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГТУ (НПИ) www.npi-tu.ru

Автореферат разослан ____ января 2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.т.н., профессор А.Н. Иванченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энергетическими установками на твёрдом топливе (ЭУТТ) называют тепловые двигатели и газогенераторы, предназначенные для создания своими продуктами сгорания реактивной тяги или совершения механической работы в газотурбинных приводах различного назначения. Среди них наибольшую конструктивную и функциональную сложность имеют управляемые ЭУТТ, у которых величина тяги или массовый расход топлива изменяются по командам системы управления. Они применяются, например, в системах управления полётом некоторых космических аппаратов, в плазменных МГД генераторах, газотурбинных двигателях глубоководных аппаратов и в других изделиях кратковременного действия высокой удельной мощности.

Объектом управления является камера сгорания, в которой находится твёрдое топливо определенной массы и геометрической формы, так называемый “твёрдотопливный заряд”, выгорающий по расчётной открытой торцевой поверхности или специально профилированному внутреннему каналу.

Системной особенностью твёрдотопливных энергоустановок является невозможность дозирования топлива в зону горения, так как оно в виде заряда изначально и полностью находится в камере сгорания, поэтому управлять расходными характеристиками в таких изделиях возможно либо воздействием на скорость горения топлива или изменением площади поверхности горения твёрдотопливного заряда в текущих термодинамических условиях. Многие предложенные или применяемые на практике способы управления внутрикамерными процессами в ЭУТТ (газодинамические, гидравлические, метод теплового ножа и др.) для сохранения работоспособности своих исполнительных устройств в высокотемпературном газовом потоке имеют ограничения по внутрикамерным температурам, как правило, до 2000 К. Современные неуправляемые энергоустановки с высокой надёжностью работают на высокоэнергетических топливах при температурах свыше 3000-3500 К, соответственно, по сравнению с управляемыми энергоустановками, развивают существенно больший удельный импульс и имеют превосходящие энергомассовые показатели. Поэтому актуальными задачами в области управляемых ЭУТТ являются: разработка методов и их реализация в устройствах непрерывного регулирования выходных параметров, не имеющих ограничений по внутрикамерным температурам, составу продуктов сгорания и времени работы; разработка методов и устройств, обеспечивающих требуемые динамические характеристики и устойчивость работы, в частности поиск методов подавления резонансных внутрикамерных процессов; построение устройств многократного включения для систем управления с повторно-кратковременным режимом работы.



На основании проведённых исследований в диссертации разработаны новые решения перечисленных задач, не имеющие термо- и газодинамических ограничений с возможностью реализации требуемых функций в единой системе автоматического управления (САУ).

Диссертационная работа выполнялась в рамках научного направления Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) «Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления» (утверждено 1.03.06), а также в рамках сотрудничества с Секцией прикладных проблем при Президиуме РАН.

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

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

– исследовать процессы горения твёрдых топлив под воздействием электрического тока для управления массовым расходом продуктов сгорания энергоустановок;

– разработать метод управления зажиганием твёрдого топлива под воздействием

электрического тока для организации многократного включения ЭУТТ;

– разработать метод подавления резонансных внутрикамерных процессов горения твёрдых топлив;

– разработать микропроцессорный комплекс для исследования параметров объекта управления в реальном режиме времени с целью построения математической модели объекта.

Методы исследования. В диссертационной работе использовались методы теории автоматического управления, гармонического анализа сигналов, статистической обработки результатов измерений, математического моделирования с использованием пакетов прикладных программ MATLAB/Simulink, Mathcad.

Научная новизна работы.

1. Предложен новый метод управления скоростью горения твёрдого топлива, основанный на воздействии протекающего через него электрического тока, что позволяет регулировать модуль тяги или массовый расход продуктов сгорания управляемых твёрдотопливных энергетических установок (патент РФ №2175399).

2. Предложен новый метод контроля и подавления резонансных режимов горения твёрдых топлив, основанный на гармоническом анализе пульсаций давления в камере сгорания энергоустановок за счёт контроля модуляций электропроводности поверхности горения и перестройки фазочастотных параметров управляющего воздействия (патент РФ №2208694).

3. Разработана структура микропроцессорного устройства, реализующего управляемое зажигание и многократное включение энергоустановок, основанная на предложенном электротермическом методе воздействия электрического тока на поверхность горения топлива, что позволяет создавать системы управления повторно-кратковременными режимами работы ЭУТТ.

4. Разработана структура автоматической системы управления внутрикамерными процессами ЭУТТ, с реализацией предложенных способов и методов диагностики и осуществлено её компьютерное моделирование, что подтвердило правильность и перспективность предложенных решений.

5. Разработаны структура микропроцессорного комплекса и программное обеспечение для исследования различных параметров объекта управления в реальном масштабе времени (свидетельство о регистрации алгоритмов и программ № ГР 50200801456) с использованием нестандартных датчиков и преобразователей параметров объекта для построения математической модели и предложенной системы управления.

6. Разработана упрощённая математическая модель объекта управления, построенная с использованием полученных экспериментальных данных.

Достоверность научных результатов и выводов подтверждается: обоснованным использованием апробированных экспериментальных методов исследований и аттестованной измерительной аппаратуры; корректностью допущений, принимаемых при математическом моделировании и разработке устройств систем управления; обсуждением полученных результатов на научных конференциях и экспертизой публикаций в ведущих научных изданиях.

Практическая ценность результатов работы заключается в разработке новых методов построения и устройств системы управления выходными параметрами энергетических установок без термо- и газодинамических ограничений по внутрикамерным температурам, составу продуктов сгорания и времени работы.

Практическое использование полученных результатов ориентировано на решение следующих задач: 1) регулирование массового расхода продуктов сгорания в газогенерирующих или двигательных установках малой тяги (до 1 кН); 2) контроль и подавление низкочастотных внутрикамерных резонансных процессов горения твёрдых топлив; 3) организация повторно-кратковременных режимов работы твёрдотопливных энергетических установок (с паузами порядка 10 с).

Реализация результатов работы. Результаты диссертации реализованы в рамках научно-технических программ и госбюджетных тем ЮРГТУ (НПИ): госбюджетной НИР “Гамод-2” по заказу Секции прикладных проблем при Президиуме РАН, в учебном процессе Военной академии РВСН имени Петра Великого (г. Москва) и кафедр “АиТ”, “ТНОВ” ЮРГТУ (НПИ); предполагаются к использованию в научно-исследовательских работах НИИ Специальных информационно-измерительных систем (СИИС) (г. Ростов на Дону), при проведении испытаний ЭКС в ФКП «Комбинат ”Каменский”». Предложенные новые технические решения защищены тремя патентами на изобретения, результаты исследований могут быть приняты за основу при разработке элементов и устройств систем управления ЭУТТ.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Электротермический метод и устройство регулирования скорости горения

твёрдых топлив.

2. Метод и устройство подавления резонансных внутрикамерных процессов горения

твёрдых топлив в ЭУТТ.

3. Метод организации повторно-кратковременных режимов работы ЭУТТ.

4. Структура и программное обеспечение микропроцессорного комплекса для

экспериментальных исследований объекта управления.

5. Математическая модель объекта управления с электротермическим

регулированием массового расхода топлива.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались и получили одобрение на: международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах», г. Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2003г.; международной научно-практической конференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения», г. Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2004г.; международной научно-практической конференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения», г. Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2006г.; общероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в азотной промышленности», г. Ставрополь, 2007г. Результаты работы обсуждались на научных семинарах и расширенном заседании кафедры “Автоматика и телемеханика”.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 3 патента на изобретения, свидетельство о регистрации программы.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 75 наименований и пяти приложений. Работа изложена на 177 страницах и содержит 102 рисунка, 6 таблиц, 22 страницы приложений.





Автор выражает благодарность заведующему кафедрой “Технология неорганических и органических веществ” д.т.н., профессору Таранушичу В.А. и ведущему научному сотруднику, к.т.н. Клякину Г.Ф. за оказанную методическую и техническую помощь в подготовке и проведении экспериментальных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и представлено краткое содержание работы.

В первой главе «Обзор и анализ способов и устройств управления параметрами твёрдотопливных энергетических установок» выполнен сравнительный анализ различных физических способов и технических систем непрерывного управления внутрикамерными процессами в ЭУТТ. На основании литературных источников рассмотрены общие характеристики энергетических конденсированных систем (ЭКС) и процессов в объекте управления, способы регулирования массового расхода продуктов сгорания (газодинамические, гидравлические, метод теплового ножа и др.), методы организации многократного включения энергоустановок и подавления резонансного горения твёрдых топлив. В результате проведённого анализа выявлены их достоинства и недостатки, сформулированы требования к устройствам автоматического управления ЭУТТ и поставлены задачи исследования.

Обобщённая блок-схема системы автоматического управления внутрикамерными процессами в ЭУТТ представлена на рис.1. Реализовать все функциональные возможности данной САУ в полном объёме весьма сложно и её состав определяется в каждом случае конкретной областью применения и назначением энергоустановки. Например, в некоторых случаях не требуется многократное включение или регулирование тяги в широком диапазоне, а только компенсация технологического и температурного разброса выходных параметров ЭУТТ. В диссертации предложены и исследованы новые методы воздействия на внутрикамерные процессы ЭУТТ с реализацией функций регулирования массового расхода топлива, многократного включения, контроля и подавления резонансных процессов горения твёрдых топлив в соответствующих элементах блока устройств управления (2,4,5 на рис.1) с необходимыми исполнительными устройствами и датчиками обратных связей.

 Блок-схема САУ ЭУТТ: ОУ - объект-1

Рис.1. Блок-схема САУ ЭУТТ: ОУ - объект управления; g(t) - задающее воздействие;

y(t) - выходной регулируемый параметр (сила тяги или массовый расход продуктов сгорания);

Q(t) - вектор промежуточных регулируемых величин; UQ(t) - вектор измерительных сигналов;

U(t) - вектор сигнала управления; UИУ(t) - вектор управляющего воздействия; блок устройств управления: 1 - устройство запуска; 2 - устройство регулирования массового расхода продуктов сгорания; 3 - устройство останова; 4 - устройство многократного включения; 5 - устройство подавления внутрикамерных резонансов; n - другие специальные устройства

Во второй главе «Разработка электротермических методов регулирования внутрикамерных процессов в твёрдотопливных энергетических установках» сформулированы и обоснованы новые теоретические принципы и варианты решения задач управления внутрикамерными процессами в ЭУТТ, основанные на электротермическом воздействии электрического тока на поверхность горения твёрдого топлива, так называемую реакционную зону ЭКС.

Исследования физических свойств смесевых твёрдых топлив показывают, что они обладают в нормальных условиях, наряду с низкой теплопроводностью, высокими диэлектрическими свойствами (уд.109 Омсм). При этом, в условиях горения тонкий прогретый поверхностный слой ЭКС толщиной порядка 0,1 мм, находящийся в состоянии термического разложения под действием мощного теплового потока продуктов сгорания (~10 МВт/м2), с учётом протекания в нём сложных химических реакций, может иметь высокую электронную, ионную или смешанную проводимость. Следовательно, прохождение электрического тока через поверхность горения будет сопровождаться выделением дополнительной тепловой мощности, изменяющей её энергетическое состояние и приводить к возрастанию скорости химических реакций, а в результате - к увеличению линейной скорости горения твёрдотопливного заряда. Таким образом, управляя электрической мощностью в реакционной зоне, возможно регулировать расходные характеристики энергетической установки (патент РФ, №2175399).

Реализация предложенного способа представлена на рис.2 и заключается в том, что в твёрдотопливный заряд устанавливается специальная электродная система из листов металлической фольги (~10 мкм) или сетки, адгезионно скреплённых и выгорающих вместе с топливом, с электрическими выводами, подключенными к управляемому источнику напряжения.

Теоретическое обоснование предложенного способа выполнено на основании уравнения Аррениуса с учётом влияния мощности электрического тока на тепловые процессы в реакционной зоне топлива:

где u/u – относительное изменение скорости горения твёрдого топлива; Pe – действующее значение электрической мощности в реакционной зоне ЭКС; Еа – эффективное значение энергии активации в ЭКС; R0 – газовая постоянная; Ts – температура реакционной зоны; сp – теплоёмкость реакционной зоны; m – массовый (секундный) расход твёрдого топлива.

Анализ полученных результатов показывает, что удельные энергозатраты на изменение скорости горения топлива существенно зависят от начальной температуры реакционной зоны, являющейся функцией химического состава топлива и текущего внутрикамерного давления. По результатам теоретического обоснования электротермического метода воздействия на скорость горения ЭКС предложена система автоматического регулирования (рис.3) массового расхода продуктов сгорания ЭУТТ с широтно-импульсной модуляцией напряжения на заряде и отрицательной обратной связью по давлению газовой фазы в камере. Соответственно, в зависимости от задающего воздействия может быть выполнена система стабилизации, программного регулирования расхода или следящая система.

 Функциональная схема САР массового-4

Рис.3. Функциональная схема САР массового расхода продуктов сгорания газогенератора:

GТ – газоприход в камеру; GГ – массовый расход продуктов сгорания; Pк – давление газовой

фазы; – рассогласование; р1 – нормированный сигнал обратной связи; p0 – задающее

воздействие; Ug – действующее значение напряжения

Для поддержания постоянного электрического контакта горящей электропроводной поверхности твёрдых топлив с внешним источником ЭДС предложено несколько вариантов расположения электродов в зарядах (рис.4) и получены формулы для оценки активного сопротивления их реакционных зон, из которых следует, что твёрдотопливный заряд в процессе выгорания является переменной электрической нагрузкой для внешнего источника напряжения, в зависимости от компоновки электродов.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.