Применение метода малых отклонений при создании замкнутых газотурбинных установок космического назначения

Язык труда и переводы:
УДК:
621.039:629.785:620.9
Дата публикации:
18 декабря 2021, 16:09
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Цветков Андрей Георгиевич
АО ГНЦ «Центр Келдыша»
Аннотация:
Рассмотрено применение метода малых отклонений для определения диапазона допустимых отклонений термогазодинамических параметров космической замкнутой газотурбинной установки от номинальных значений при заданном диапазоне изменения вырабатываемой электрической мощности. Определены коэффициенты влияния термогазодинамических параметров космической замкнутой газотурбинной установки на вырабатываемую электрическую мощность. Проведена оценка изменения полученных коэффициентов в зависимости от параметров расчетных режимов работы космической замкнутой газотурбинной установки. Рассмотрено применение данного метода для определения величины воздействия рабочих органов системы управления для поддержания вырабатываемой электрической мощности в заданном диапазоне.
Ключевые слова:
космическая замкнутая газотурбинная установкаметод малых отклонений, метод малых отклонений, термогазодинамические параметры, заданные и допустимые диапазоны изменения параметров, коэффициенты влияния, система управления
Основной текст труда

Применение космических ядерных энергетических установок является практически безальтернативным вариантом создания космических аппаратов мегаваттного уровня мощности [1–3].

Важной задачей обеспечения необходимой энерговооруженности космических аппаратов с замкнутыми газотурбинными установками (ЗГТУ) с ядерным источником тепловой энергии является поддержание значения генерируемой электрической мощности в диапазоне заданных допустимых отклонений.

Диапазон заданных допустимых отклонений генерируемой электрической мощности в свою очередь накладывает соответствующие ограничения на допустимый диапазон отклонений термогазодинамических параметров космической ЗГТУ от расчетных значений.

Диапазон допустимых отклонений вырабатываемой электрической мощности определяется только для установившихся режимов, так как для переходных или неустановившихся режимов его определение не имеет смысла.

Поддержание значений вырабатываемой электрической мощности в заданном диапазоне значений и термогазодинамических параметров в диапазоне эксплуатационных значений (в диапазоне допустимых отклонений) является одной из задач системы управления ЗГТУ. При выходе одного или нескольких параметров за пределы диапазона допустимых значений система управления космической ЗГТУ в соответствии с заданными алгоритмами, используя соответствующие органы управления, должна возвращать термогазодинамические параметры космической ЗГТУ в область допустимых значений.

Оценку влияния термогазодинамических параметров космической ЗГТУ на величину вырабатываемой электрической мощности можно провести с помощью коэффициентов влияния методом малых отклонений [4]. Данная оценка (коэффициенты влияния) дает возможности определить величины воздействий рабочих органов космической ЗГТУ для поддержания вырабатываемой электрической мощности в заданном диапазоне отклонений.

В докладе представлены основные соотношения математической модели космической ЗГТУ. На основании данной математической модели методом малых отклонений получены коэффициенты влияния отклонений термогазодинамических параметров космической ЗГТУ от номинальных значений на уровень вырабатываемой мощности и определены их численные значения как для различных вариантов космической ЗГТУ, так и для различных режимов ее работы.

Необходимо отметить, что каждому расчетному режиму работы космической ЗГТУ соответствует свой набор численных значений коэффициентов влияния и, следовательно, свой диапазон допустимых отклонений газодинамических параметров.

Проведенные расчетные исследования коэффициентов влияния термогазодинамических параметров для различных вариантов космической ЗГТУ показали, что численные значения коэффициентов влияния существенно зависят от их начальных значений.

Полученная зависимость малых отклонений вырабатываемой мощности от изменения термогазодинамических параметров космической ЗГТУ позволяет применить ее не только для определения величины воздействия со стороны рабочих органов управления, но и при оптимизации параметров на стадии проектных расчетов.

В зависимости от применения данная зависимость может иметь разный вид в зависимости от принятых допущений. Показано, что для случая, когда рабочими органами управления ЗГТУ могут изменяться только величина температуры перед турбиной, давления перед компрессором данная зависимость существенно упрощается. В данной ситуации с использованием математической модели рабочего органа управления космической ЗГТУ и метода малых отклонений можно определить физическую величину воздействия этого органа управления, которая может уже быть использована непосредственно в алгоритме управления.

В качестве примера рабочего органа системы управления космической ЗГТУ рассмотрен клапан системы хранения и подачи рабочего тела. При открытии клапана происходит переток массы рабочего тела (РТ) в контур преобразования, что приводит к повышению давления перед компрессором. Метод малых отклонений позволяет оценить необходимое время работы запорного клапана в зависимости от величины перепада давления между системой хранения и подачи РТ и трактом контура преобразования энергии.

При использовании метода малых отклонений предполагается, что варьируемые параметры, влияющие на целевую функцию, не зависят друг от друга (не коррелируют между собой). На самом деле в замкнутом газодинамическом контуре взаимовлияние параметров существует, что приводит к необходимости уточнения коэффициентов влияния методами нелинейного математического моделирования и экспериментальной отработкой.

Коэффициенты влияния, полученные с помощью метода малых отклонений, уточненные методами нелинейного математического моделирования и экспериментальной отработки, позволяют построить алгоритмы управления для ЗГТУ, работающих в режиме реального времени с учетом инерционности датчиков управления, что особенно важно для быстроменяющихся процессов.

Литература
  1. Mason L.S. Schreiber J.G. A History review of Brayton and Stirling power conversation technologies for space applications // NASA/TM–2007-214976. November 2007. Paper 2034.
  2. Акимов В.Н., Коротеев А.А., Коротеев А.С. Ядерная космическая энергетика: вчера, сегодня, завтра // Известия РАН. Сер. Энергетика. 2012. № 1. С. 3–11.
  3. Коротеев А.С., Ошев Ю.А., Попов С.А., Каревский А.В., Солодухин А.Е., Захаренков Л.Э., Семенкин А.В. Ядерная энергодвигательная установка космического аппарата // Известия РАН. Сер. Энергетика. 2015. № 5. С. 45–59.
  4. Черкез А.Я. Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений. М.: Машиностроение, 1965. 354 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.