26 июня 2016г.
Исходя из существующего опыта создания систем зажигания для газотурбинных двигателей искровыми разрядами, сложились два подхода к проектированию перспективных систем зажигания газотурбинных двигателей.
При первом подходе проектирование осуществляется путем подбора соответствующих параметров систем зажигания ГТД, а заданной величиной, например, для емкостных систем зажигания, считается энергия разряда, выделяющаяся в свече, или начальная энергия накопительного конденсатора. Такой подход позволяет установить строгий порядок выбора отдельных параметров элементов, что, как показала практика, приводит к большому количеству экспериментов и дополнительных испытаний, и как следствие, сопровождается большими материальными затратами.
Второй подход заключается в создании математических моделей, позволяющих формализовать задачи проектирования и представить в качественном плане взаимосвязь параметров систем зажигания ГТД с характеристиками топливовоздушной смеси в процессе воспламенения. Использование этого подхода имеет хорошие перспективы, ориентированные, в конечном итоге, на значительное сокращение времени и материальных затрат на проектирование систем зажигания ГТД.
В настоящее время имеется достаточно большое число работ по исследованию разрядных процессов в системах зажигания [1,2,3,4], которые включают математические модели, позволяющие более полно описать динамику работы существующих и проектируемых систем зажигания.
Однако практически проектирование систем зажигания продолжает вестись разработчиками по первому пути, что объясняется не столько реальными условиями конструирования, сколько ненаглядностью предлагаемого математического аппарата и сложностью его использования.
В то же время современные информационные технологии, которые могут позволить разработку принципиально новых моделей для исследования и проектирования систем зажигания, являются наиболее предпочтительными.
В данной статье рассматриваются виды компьютерного моделирования для оценки возможности их применения при разработке плазменных систем зажигания.
Под схемотехническим моделированием понимают моделирование электрических процессов в электронных устройствах, традиционно изображаемых в виде принципиальных электрических схем, т.е. соединений условных обозначений элементов схемы [5].
Существует несколько пакетов схемотехнического моделирования: Micro Cap, CAD, Multisinc и т. п. Эти пакеты в основном ориентированны на разработку электронных схем, включая проектирование печатных плат, но не позволяют в полной мере проводить моделирование сложных электротехнических систем.
Для моделирования электротехнических систем, которые обладают достаточно сложным математическим описанием, наиболее перспективным является создание имитационных моделей, позволяющих всесторонне исследовать характеристики и состояние моделируемых устройств и систем. Преимуществами имитационных моделей является малая трудоемкость их разработки, быстродействие, возможность задания параметров в широком диапазоне и возможность выбора их оптимальных значений.
Имитационное аналитическое моделирование — это частный случай математического моделирования. Существует класс объектов, для которых по различным причинам не разработаны аналитические модели, либо не разработаны методы решения полученной модели. В этом случае математическая модель заменяется имитатором или имитационной аналитической моделью.
Аналитическая имитационная модель — логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на ЭВМ, созданное для анализа и проектирования объекта.
Среди существующих прикладных программ система MatLAB может обеспечивать проведение исследований практически во всех известных областях науки и техники. Особое место среди инструментальных приложений MatLAB занимает система визуального моделирования Simulink. Simulink это интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа поведения динамических нелинейных систем. Он позволяет строить графические блок-диаграммы, имитировать динамические системы и совершенствовать проекты. Simulink интегрирован с MatLAB и обеспечивает доступ к широкому спектру инструментов проектирования.
Библиотека блоков SimPowerSystems является одной из множества дополнительных библиотек Simulink, ориентированных на моделирование конкретных устройств. SimPowerSystems содержит набор блоков для имитационного моделирования электротехнических устройств. Комбинируя возможности Simulink и SimPowerSystems, пользователь имитирует работу устройств во временной области и работает с различными видами анализа таких устройств []. Моделируемый объект представляет собой графическую функциональную параметрическую блок-схему, включающий блоки элементов системы и связи между ними, функциональные блоки элементов моделируемого объекта могут быть, в свою очередь, вложенные подсистемы со своей организацией, образуя иерархические структуры.
Имитационные модели строятся, как правило, на основе решения в явном виде систем уравнения, описывающих процессы в исследуемом объекте, так и без получения аналитических решений. В данном случае применяются аналоговые вычислительные блоки, воспроизводящие характерные для данного класса задач соотношения между непрерывно изменяющимися физическими величинами – аналогами исходных данных. Обычно, в качестве машинных переменных обычно используются электрические токи и напряжения, а моделируемых соотношений – законы Ома и Кирхгофа для электрических цепей. Когда решение уравнений, составляющих модель, получено математическими методами, то используется аналитический метод. При этом вектор выходных характеристик системы является функциями внутренних и внешних параметров, а явное представление этих функции и есть имитационная аналитическая модель. Получение аналитических моделей возможно только в случае относительно простых объектов. В связи с этим имитационные аналитические модели используются для ориентировочных оценок процессов в исследуемых объектах и в процедурах оптимизации, требующих высокого быстродействия и небольшой точности.
Однако, в одну и ту же имитационную модель могут одновременно входить подмодели обеих типов. При этом некоторые части или уровни системы моделируются аналитически, а другие - с помощью описания логики работы. Такой подход позволяет охватить качественно новые классы систем, которые не могут быть исследованы с использованием только аналитического или имитационного моделирования в отдельности.
При использовании второго подхода разработаны новые схемотехнические решения [6,7] и компьютерные модели для плазменных систем зажигания ГТД [8,9], подтвердившие на практике свою эффективность.
Таким образом, при проектировании и исследовании плазменных систем зажигания целесообразно применение новых информационных технологий, основанных на создании схемотехнических и имитационных аналитических компьютерных моделей.
Список литературы
1. Гизатуллин Ф. А. Худяев В. Н. Моделирование и исследование процессов в плазменной системе зажигания // Вестник УГАТУ, 2007, Т. 9, № 6 (24), С. 170-177.
2. Гизатуллин Ф.А., Лобанов А. В. Моделирование разрядных процессов в импульсно-плазменной системе зажигания. // Вестник УГАТУ, 2008 г., Т. 11, № 2,. Уфа, УГАТУ, с.161-168.
3. Гизатуллин Ф.А., Салихов Р. М. Схемотехническая модель плазменной системы зажигания постоянного тока // Авиакосмическое приборостроение. – М., 2011.№7. С. 8-12.
4. Gizatullin F.A., Salikhov R.M. ON THE ANALYSIS OF ELECTRIC ARC PROCESS STABILITY IN PLASMA SYSTEMS OF IGNITION WITH ALLOWANCE FOR GTE COMBUSTION CHAMBER PARAMETERS Russian Aeronautics. 2011. Т. 54. № 3. С. 318-321.DOI: 10.3103/S1068799811030147.
5. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. – СПб.: Питер, 2008. – 288 с.
6. Гизатуллин Ф. А., Салихов Р. М., Хохрина В. В. Плазменная система зажигания. Патент на полезную модель №120721, МПК F02P 3/06; опубл. 27.09.2012, Бюл. №27
7. Гизатуллин Ф.А., Салихов Р. М., Ищейкина Т. М. Плазменная система зажигания. Патент на полезную модель №132497, МПК F02P 3/06 опубл. 20.09.2013, Бюл. №26.
8. Гизатуллин Ф. А., Салихов Р. М., Лобанов А. В., Галиев Р. В., Шамсутдинов Р. Р. Исследование эффективности плазменной системы зажигания постоянного тока. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014610881, зарег. 17.01.2014.
9. Гизатуллин Ф. А., Салихов Р. М., Салихова А. Р. Определение режимов работы осцилляторов в составе плазменных систем зажигания ГТД. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015617125, зарег. 30.06.2015.
