Лекция 13. Параметрическая оптимизация приводов

Задача совершенствования энергомассовых характеристик (ЭМХ) РП предполагает проведение оценки факторов влияния на целевую функцию, через которые исследователь выходит на наиболее весомые, обеспечивающие достижение максимального положительного эффекта.

Известно, что масса РП является функцией выходной мощности и времени работы. Выходная мощность и мощность источника питания связаны через кпд, который характеризует собой совокупность энергетических потерь по тракту от ТТГГ до ОУ:

Уменьшение потерь мощности на каждом элементе энергетического тракта РП и их совокупности по пути следования энергетического потока обусловливает уменьшение массы входящих в эту цепь элементов, а, следовательно, и массы РП в целом. Оптимальный выбор параметров по совокупности (например, РП+ОУ), обеспечивающий минимум суммарной массы более сложной структуры, уточняет требования к энергетическим показателям РП.

Рассмотрим несколько примеров в плане постановки задачи оптимизации.

Парметрическая оптимизация ТТГГ.

Применение в ТТГГ фильтроэлемента для очистки продуктов сгорания рабочего тела от твердых фракций и К-фазы обусловливает наличие неизбежных потерь давления (перепада) на фильтре.

Использование фильтра с малой поверхностью очистки с целью минимизации массы ТТГГ при выбранной степени фильтрации и заданном времени работы приводит к увеличению средней величины перепада давления на фильтре. Увеличение перепада давления повышает давление в камере сгорания топлива, что требует для выполнения требования по времени работы увеличения длины заряда и его массы.

В свою очередь, использование фильтра с развитой (большой) поверхностью приводит к увеличении массы фильтроэлемента, хотя, при этом, за счёт снижения средней величины перепада давления, масса заряда минимальна, так как при минимальной длине обеспечивается заданное время работы.

Если на графике зависимости массы фильтра и массы заряда от перепада давления изобразить две кривые, то суммарная масса mз и mф при выборе рабочей поверхности фильтра, соответствующей среднему значению перепада давления DРopt, будет минимальна, что позволяет минимизировать массу ТТГГ в целом.

Параметрическая оптимизация газового мотора АПМНА.

Входящий в состав экономичного источника питания РП АПМНА, является также объектом параметрической оптимизации. Наиболее эффективно проведение параметрической оптимизации в геометрии узла распределения газа от ТТГГ к блоку цилиндров, в котором происходят механические потери энергии газа при дросселировании газового потока.

Основным источником возмущений являются острые кромки отверстия впуска газа в поршневую полость блока цилиндров. Отверстие образуется при вращении блока цилиндров пересечением цилиндрического отверстия блока цилиндров и серповидного сегмента распределителя газа. Известно, что объёмный кпд газового двигателя формируется индикаторной диаграммой Р=f(V) (где Р – давление в поршневой полости, V – изменение объёма поршневой полости при движении поршня). Чем больше площадь индикаторной диаграммы, тем выше работа цикла газового мотора, тем выше объёмный кпд.

Если газ проходит через острые кромки, то, теряя энергию, время заполнения и достижения максимального давления будет большим, а это уменьшает площадь диаграммы при минимальном начальном объёме полости.

Скругление кромок обеспечит снижение потерь энергии при дросселировании и снизит время заполнения поршневого объёма. Однако, наряду с этим, произойдёт увеличение свободного объёма, что обусловит замедление процесса наполнения полости и достижения максимального давления.

Таким образом, решение задачи параметрической оптимизации состоит в расчёте соотношения между радиусом скругления острых кромок и свободным объёмом, при котором время заполнения поршневого объёма минимально, а, следовательно, и угловая скорость блока цилиндров максимальна.

Прараметрическая оптимизация системы ТТГГ+АПМНА.

Параметрическая оптимизация более сложной системы, в состав которой входят ТТГГ и АПМНА, требует знания особенностей их совместной работы.

Параметры ТТГГ формируются через АПМНА действующей нагрузкой на гидравлический насос, в которой определяющей является давление нагнетания рабочей жидкости. Вид проливочной (расходно-перепадной) характеристики клапана – регулятора давления жидкости обусловливает разброс внутрибаллистических характеристик ТТГГ при его эксплуатации в заданном температурном диапазоне.

В этом и состоит особенность работы – во взамосвязанности параметров ТТГГ и АПМНА, в отличие от работы турбонасосных агрегатов от ТТГГ через сопло постоянного критического сечения, работа ТНА не оказывает практически влияния на параметры ТТГГ.

Оптимизация осуществляется в два этапа.

Первоначально рассчитывается давление в камере сгорания ТТГГ, при котором реализуются минимальные объёмные потери газа в распределителе газа и плужерной паре при фиксированном зазоре, что обеспечивает работу энергоблока в режиме рациональной отдачи мощности к нагрузке.

Давление получают в результате решения уравнения баланса для секундного массового расхода газа в ТТГГ и газовом моторе:

Так как выходная мощность энергоблока равна

То с учётом уравнения массового расхода, имеем

Дифференцируя выражение мощности по давлению и приравнивая его нулю, получим выражение давления от конструктивных параметров газового мотора и баллистических параметров топлива в виде:

По результатам расчёта давления газа, принятого в качестве минимального значения, рассчитывается поверхность горения и тем самым определяется нижняя граница диапазона, и переходят ко второму этапу оптимизации – расчёту конфигурации расходной характеристики газового мотора, минимизирующей массу заряда ТТГГ, а, следовательно, и массу ТТГГ.

Практически задача сводится к выбору из многообразия видов расходно-перепадных характеристик гидравлического клапана – регулятора давления такой расходно – перепадной характеристики, при использовании которой в составе энергоблока привода в заданном температурном диапазоне разброс расхода газа будет минимальным.

Возможные варианты взаимного расположения газоприходных и расходных характеристик представлены на рис.

В)

Б)

А)

Анализ вариантов конструктивного исполнения переливных клапанов, формирующих нагрузку на насосе АПМНА при совместной работе с ТТГГ, показал, что в ТТГГ реализутся три вида расходно-перепадной характеристики, реализуемых при работе:

1. Режим постоянного давления Р=Р_min=Const в камере сгорания при переменном массовом секундном расходе топлива m=m_min…m_max (рис. А)).

2. Режим переменного давления при переменном массовом секундном расходе (рис.Б)).

3. Режим постоянного массового секундного расхода m=m_min при переменном давлении P=P_min…P_max (рис. В)).

В режиме 1 имеем максимальный разброс по расходу при минимальном давлении. В этом случае необходимо обеспечить наибольшую длину заряда, исходя из m_max при максимальной температуре заряда, с тем чтобы обеспечить заданное время работы. Масса заряда, а, следовательно, и корпуса ТТГГ будет максимальна при тонкой стенке корпуса.

В режиме 3 имеем максимальный разброс по давлению при минимальном расходе. В этом случае, при минимальной массе заряда – минимальной длине, необходимо обеспечить необходимую прочность корпусу ТТГГ из-за максимально реализуемого давления в камере сгорания топлива, т. е. толщину стенки корпуса выполнить максимальной. Масса корпуса будет максимальной при минимальной массе заряда.

Режим 2 является промежуточным для рассмотренных режимов и обеспечивает минимальную массу, если оптимально расположить угол наклона расходной характеристики относительно газоприходных зависимостей топлива для заданного температурного диапазона эксплуатации.

Параметрическая оптимизация привода и органа управления.

От решения задач оптимизации по внутренним параметрам привода переходят на более высокий структурный уровень – оптимизация по внешним параметрам системы «привод-орган управления».

Целевой функцией оптимизации является энергомассовый показатель РП-ОУ.

В качестве примера рассмотрим пару широко применяемых в канале крена газогидравлический привод и поворотный твёрдотопливный двигатель (ПТТД).

В перспективных ЛА использование в качестве ОУ маршевых двигателей поворотных управляющих сопел – эффективных ОУ, обусловливает наличие малых свободных объёмов для расположения внутри отсеков ПТТД и РП. Как правило, ограничения по размещению приводит к невозможности соосного расположения ПТТД и поворотной РМ, из-за чего связь между ними осуществляется через кинематические звенья – шатуны, многозвенники и коромысла. Наиболее часто используется трёхзвенник (два поводка и тяга между ними).

Как следует из рисунка, наивысшая эффективность ПТТД достигается на углах a_Д=±90°. В этом случае ОУ обеспечивает максимальный момент по крену при минимальных энергетических затратах (массовом расходе), т. е. минимальной массе ПТТД.

С другой стороны, вследствие увеличения угла поворота вала рулевой машины ухудшается её механический кпд, особенно на краях углового диапазона, из-за уменьшения развиваемого момента в результате сокращения плеч поводков на больших углах поворота. В связи с этим, наиболее распространены поворотные РМ с углами поворота выходного вала ±(30…33)°.

Момент крена, формируемый тягой ПТТД, определяется величиной тяги или массовым секундным расходом топлива и углом поворота сопла a_Д. Чем меньше a_Д, тем большей тягой (расходом) должен располагать ПТТД при выполнении заданного для изделия момента крена. Больший расход топлива при прочих равных условиях обусловливает большую массу ПТТД.

В то же время, увеличивая угол поворота сопла a_Д (уменьшая потребную тягу), следует (при обеспечении требуемого времени перекладки ПТТД из нулевого положения в крайнее) повышать угловую скорость поворота вала РМ при сохранении движущего момента, т.е. увеличивать мощность, а, значит, и массу РП.

Таким образом, задача параметрической оптимизации сводится к расчёту угла поворота ПТТД для заданных времени переброски и моменте крена, при котором обеспечивается минимальная масса системы РП-ПТТД. Результат решения задачи иллюстрируется на рис.

К числу задач параметрической оптимизации более сложного уровня следует отнести также задачу рационального выбора энергетических характеристик РП, обеспечивающего управление поворотного сопла, подвеска которого в корпусе ДУ выполнена на эластичном шарнире. Для решения задачи использована особенность ПУС (поворотного управляющего сопла), которая заключена в круговом характере диаграммы шарнирного момента и потребных скоростей, действующих в плоскости управления ПУС на штоки рулевых машин.

Анализ диаграмм располагаемых сил и действующих нагрузок в плоскости управления показывает, что круговая диаграмма шарнирного момента поворотного управляющего сопла (позиционная нагрузка) оказывается вписанной в квадрат располагаемых сил двух РМ с точками касания, в которых РМ крепится к раструбу рис.1.

Рис.1.

В этих точках располагаемая и действующая силы равны во всём диапазоне отклонения ПУС. В остальных направлениях, когда перемещаются две РМ одновременно, результирующая располагаемая сила при действии в гидросистеме постоянного давления питания рабочей жидкости на входе в РМ превышают нагрузку со стороны ПУС. Причём максимальное превышение располагаемой силы над потребной достигает 40%, а по мощности с учётом формируемой в этом же направлении скорости V_пS=1,4 V_max – в два раза при движении проекции вектора тяги под углом 45° к осям y и z.

Следует отметить, что наиболее рациональный режим с точки зрения экономного использования энергии в приводе реализуется при движении одной РМ под действием минимально допустимого уровня давления, когда требуемая и раcполагаемая мощности совпадают (Рис.1). Одновременная работа двух РМ с максимальной скоростью и усилием сопровождается рассеиванием избытка энергии на нагрузке в виде тепловых потерь на элементах дросселирования (золотнике, регуляторах и т.д.).

Для построения рациональной схемы источника питания привода по использованию мощности целесообразно обеспечить в источнике питания переменное давление на входе в РМ, автоматически изменяющееся от потребляемого расхода рабочей жидкости РМ.

Это достигается настройкой газового клапана на нижний допустимый уровень давления при потреблении рабочей жидкости одной РМ, движущейся с максимальной скоростью, и двух непроизводительных расходов через золотники РМ.

При подключении второй РМ и движении двух РМ с потреблением Q_S=1,4 Q_max+2Q_ут давление в линии нагнетания источника питания при закрытом газовом клапане не должно уменьшаться ниже 0,7Р. В этом случае на штоках РМ реализуется результирующее усилие, соответствующее нагрузке, которая преодолевается парой РМ при обеспечении движения вектора тяги ПУС с максимальной скоростью независимо от направления движения.

Для реализации работы источника питания в этом режиме необходимо согласование его внутрибаллистических, динамических и конструктивных параметров с динамическими характеристиками действующих на орган управления возмущений, которые преобразуются в величину потребляемого РМ расхода, время действия и интервал отсутствия возмущения.

Наиболее наглядно процедура минимизации энергопотребления иллюстрируется графиками расходно-перепадных располагаемых и потребных характеристик источника питания и рулевых машин.

В идеале параметрическая оптимизация должна охватывать весь комплекс сложной структуры ЛА. Но полная параметрическая оптимизация сложна и может оказаться неэффективной в силу существенной разницы в массе РП и ЛА. По-видимому, указанная процедура частичной оптимизации целесообразна для объектов ЛА, сравнимых по массе, когда она не разнится, по крайней мере, на порядок.

Дата добавления: 2014-11-20