Beneda Károly Tamás HAJTÓMŰ NYOMÁSVISZONY (EPR) ALAPÚ SZABÁLYOZÁS MEGVALÓSÍTÁSA A TKT- GÁZTURBINÁS SUGÁRHAJTÓMŰVÖN A gázturbinás sugárhajtóművek najaink közforgalmi és katonai reülésének elsődleges erőforrásai, így alaos ismeretük nélkülözhetetlen a mérnökök számára. A TKT- oktatási és kutatási céllal kifejlesztett sugárhajtóműves berendezés az osztott kézésű oktatás elméleti oldalát nagymértékben kiegészíti, jól hasznosítható gyakorlati tudást nyújt a hallgatóknak. Ennek okán folyamatos fejlesztése alavető érdek, melynek világosan követnie kell az iarban széleskörűen elterjedt megoldásokat. Jelen cikk célja bemutatni az elmúlt évben kifejlesztésre került egy korlátozott hatáskörű, digitális elektronikus szabályozást, mely a hajtómű nyomásviszony (Engine Pressure Ratio, EPR) alaján végzi a feladatokat, valamint a mérő-adatgyűjtő rendszer további finomításait. DEVELOPMENT OF ENGINE PRESSURE RATIO (EPR) CONTROL LAW ON THE TKT- TURBOJET ENGINE Gas turbine engines are the rimary owerlants for civil and military aircraft, thus the well-founded knowledge about their oeration is essential for the aeronautical engineers. The TKT- turbojet engine has been created to meet the goals of education and scientific investigations; it sulements the theoretical art of both BSc and MSc and it rovides useful ractical know-how for the students. Therefore, its continued develoment is an elementary interest which should clearly follow the widely sread solutions of the industry. The aim of the resent article is to describe the recently introduced limited authority control system, which rovides a control based on the Engine Pressure Ratio (EPR), along with the necessary refinements of the data acquisition system. BEVEZETÉS Najaink közforgalmi és katonai reülésében a legelterjedtebb meghajtási mód a gázturbinás sugárhajtómű, melynek ismerete a reülőműszaki kézést végző hallgatók számára elengedhetetlen. A termodinamikai-áramlástani asektuson kívül a korszerű mechatronikai megközelítés miatt elektronikai, számítás- és irányítástechnikai ismeretek is lényegesek. A korszerű szabályozórendszerek FADEC 3 egységeken alaulnak, melyek kutatása és fejlesztése, beleértve a hajtóművek matematikai modellezését, irányítását és diagnosztikáját is, kiemelkedő jelentőséggel bír []. Ez nemcsak a tantermi, elméleti tudást, hanem a gyakorlati oldalt is jelenti, melyet ennek következtében folyamatosan fejleszteni szükséges, hogy az iarban megjelenő, illetve elterjedő megoldásokat adatálni, kedvezőbb esetben integrálni lehessen az oktatásba. Ebből kifolyólag a BME Vasúti Járművek, Reülőgéek és Hajók Tanszékén kifejlesztett TKT- gázturbinás sugárhajtómű rendszereinek finomítása állandóan, több szálon is folytatódik. A legnagyobb ívű fejlesztés a teljes hatáskörű, dulikált, digitális, elektronikus szabályozórendszer (Dual FADEC) kialakítása [4], melynek előzetes léései magukba foglalták a legegyszerűbb mérnök-tanár, AEROK Reülésműszaki Oktató és Szolgáltató Kft., karoly.beneda@aerok.hu Lektorálta: Dr. Varga Béla alezredes. fősikolai docens, Nemzeti Közszolgálati Egyetem Katonai Reülő Tanszék, varga.bela@uni-nke.hu 3 FADEC: Full Authority Digital Electronic Engine Control, teljes hatáskörű, digitális hajtómű szabályozás 9
elektronikus szabályozót [], ennek továbbfejlesztett, de még nem teljes hatáskörű verzióját immáron a hajtómű nyomásviszony (EPR 4 ) szerinti törvényszerűséggel, melynek ismertetése jelen cikk legfőbb célja. Ezen kívül folyamatban van a Rolls-Royce Trent 900/000 hajtóműveken alkalmazott TPR 5 jellemzőn alauló szabályozórendszer [6] megvalósítása, mely az első FADEC követelményeknek rendszer lesz a TKT--hez, azonban a fokozatos fejlesztés logikus lééseit figyelembe véve még csak egy csatornás (single channel) konfigurációban, hogy az ezzel gyűjtött taasztalatok beéíthetőek legyenek az áramkörök szintjén már meglévő kétcsatornás (dual channel), TEDDI 6 fantázianevű szabályozóba. Mindezek mellett a gázturbinás sugárhajtómű beható vizsgálatai során fény derült a centrifugális komresszor laátos diffúzorának rendkívül kedvezőtlen áramlástani kialakítására, mely számottevő nyomásveszteséget okoz az égéstér előtt, ezzel a teljes hajtómű hatásfokát rontva. Ennek áttervezése is a megvalósítás fázisába léett, mellyel amennyiben sikerül az áramlás feltételein javítani számottevően emelni lehetne a tolóerőt. A GÁZTURBINÁS SUGÁRHAJTÓMŰVEK SZABÁLYOZÁSA A gázturbinás sugárhajtóművek szabályozásának szüksége A sugárhajtóművek működését leíró megmaradási törvényszerűségek alaján feléíthető az az egyenletrendszer, mely ennek a matematikai hátterét jelenti. Az egyszerűsítés végett vizsgáljunk egy állandó geometriájú (változtatható fúvócső nélküli) egyáramú gázturbinás sugárhajtóművet, aminek elvi vázlatát mutatja az. ábra. A jellegzetes keresztmetszetek a következőek: a 0-s ontban a hajtómű zavaró hatását még nem érezni, környezeti jellemzők uralkodnak. Az -es ont a komresszor előtti, a a járókerék utáni, a komresszor utáni keresztmetszet. A turbina beléését 3-mal, kiléését edig 4-gyel jelöljük. Az esetleges utánégetést az 5-ös ont mutatná, ez azonban a TKT- esetében elmarad, így következik a 6-os ont, mely a fúvócső beléését jelenti. A 7-es keresztmetszet Laval-fúvócső esetén értelmezett, mégedig a torokkeresztmetszetre utal. Így tehát a hajtóművet elhagyó közeg jellemzői a -as ontban mérhetőek. Ilyen viszonyok mellett két tömeg- és egy mechanikai energia megmaradási egyenlet írható fel, melyeket az ()-(3) egyenletek mutatnak, és rendre a gázgenerátor komonensek együttműködést (égéstér tömegtároló kéességét), a gázgenerátor és a fúvócső együttműködését (turbina utáni diffúzor tároló hatását) és a forgórész teljesítményviszonyait vázolja. 4 EPR: Engine Pressure Ratio: hajtómű nyomásviszony, EPR 4 5 TPR: Turbofan Power Ratio, (kétáramú) sugárhajtómű teljesítményviszony TPR 6 TEDDI: Teljes hatáskörű, Dulikált Digitális szabályozórendszer k T 3 T 9
ahol m m 3. ábra: A TKT-, mint egyáramú sugárhajtómű vázlata, a jellegzetes keresztmetszetek jelöléseivel m tüa m 4 m 6 P T m m m 3 tüa mech m m 4 6 P komresszor kiléő tömegáram turbina beléő tömegáram K dm dt 4 dm dt 46 3 égéstérbe betálált tüzelőanyag tömegáram turbinából kiléő tömegáram fúvócső beléő tömegáram n m3 az égéstérben tárolt közeg tömege m46 a turbina utáni diffúzorban tárolt közeg tömege t idő PT a turbina teljesítménye mech mechanikai hatásfok PK a komresszor teljesítményigénye a forgórész tehetetlenségi nyomatéka n a forgórész fordulatszáma Amennyiben az ()-(3) egyenletek egyes tényezőit gázdinamikai araméterekkel helyettesítjük, belátható, hogy a három egyenlet négy független változót, a k komresszor és t turbina torlóonti nyomásviszonyokat, a qt tüzelőanyag-hányadot és a tartalmazzák. A fent megállaított fizikai törvényszerűségek értelmében tehát kijelenthető, hogy tetszőleges számú forgórésszel, de állandó geometriával rendelkező sugárhajtómű esetében egy további egyenlet szükséges az egyenletrendszer zárásához [7]. dn dt () () (3) 93
A szabályozási törvényszerűségek Vizsgáljuk meg, milyen törvényszerűségeket alkalmaznak a gyakorlatban, melyek mindegyike alavetően a hajtómű tolóerejének állandó értéken tartását célozza meg. Szükséges azonban figyelembe venni, hogy ezen jellemző mérése reülés közben nem lehetséges, másrészt edig nem adna információt a hajtómű aktuális mechanikai és hőterheléseiről. Ennek következtében a leggyakrabban alkalmazott szabályozási törvényszerűség a fordulatszám szerinti szabályozás, mely többforgórészes hajtóműveknél jelentheti a kis- vagy nagynyomású forgórészének állandó fordulatszámon való tartását. A fizikai fordulatszám ugyan egyszerűen érzékelhető és a jel könnyen továbbítható még a korszerűtlenebb hidromechanikus szabályozóknál is, azonban korlátai révén nem kées biztosítani a tolóerő elvárt állandó értéken való tartását. Jobb közelítést ad, ha átszámított fordulatszám szerint történik az irányítás, mert ekkor a reülési sebesség növekedéséből fakadó dinamikus komresszió hatása is figyelembe vehető, mely számottevően befolyásolja a hajtómű üzemét [4]. Amennyiben kiindulunk egy olyan feltételezésből, hogy a hajtómű fúvócsövében teljes exanzió játszódik le, akkor a hajtómű tolóereje kifejezhető a fúvócsövén keresztül távozó gázok sebességével, a reülési sebességgel és a hajtómű jellegzetes keresztmetszeteiben létrejövő tömegáramokkal: F t m c ahol Ft a hajtómű tolóereje a fúvócsőből kiléő tömegáram m m 0 v0 c a fúvócsövön távozó közeg sebessége a hajtóműbe beléő tömegáram m 0 v0 reülési sebesség Fejezzük ki a kiléő imulzust a kontinuitás tételének segítségével, majd bővítsünk a fúvócső kiléő keresztmetszetében érvényes adiabatikus kitevővel, R secifikus gázállandóval, valamint T statikus hőmérséklettel. Ekkor a nevezőben megjelenő szorzat a fúvócső kiléő keresztmetszetében érvényes helyi hangsebesség négyzetét eredményezi, mely a számláló c értékével M -re vezet, valamint a sűrűség, R és T szorzata a számlálóban a statikus nyomással helyettesíthető az állaotegyenlet értelmében. m A c c A c M A R T ahol A a fúvócső kiléő keresztmetszete R Hasonlókéen fejezhető ki a beléő imulzus is, itt azonban a továbbléés érdekében szükséges a 0- ás és -es keresztmetszetek tömegáramainak azonosságára alaozva az m c imulzusra áttérni: T (4) (5) m 0 v 0 0 0 M 0 A 0 m 0 m m A c M (6) 94
ahol 0 a környező levegő adiabatikus kitevője 0 a környezeti statikus nyomás M0 a reülési Mach-szám A0 a hajtóműbe beléő közeg áramcsövének 0-s ontbeli araméterekkel értelmezett keresztmetszete m a komresszorba beléő tömegáram c a komresszorba beléő közeg sebessége a komresszorba beléő közeg adiabatikus kitevője a komresszor előtti statikus nyomás M a komresszorba beléő közeg Mach-száma A a komresszor beléő keresztmetszete Célszerű a statikus nyomások helyett a torlóontiak figyelembe vétele, mely a Mach-számmal és a adiabatikus tényezővel általánosságban a következőkéen írható fel: ahol statikus nyomás torlóonti nyomás adiabatikus kitevő M Mach-szám M Ennek értelmében a tolóerő felírható a következő kifejezéssel: (7) F t M A M M A M Bővítve a komresszor beléő torlóonti nyomásával, valamint a környezeti statikus nyomással, ezen kívül figyelembe véve, hogy 4, kajuk: F t 0 4 0 M A M A levezetés utolsó lééseként azt a megfontolást tehetjük, hogy a komresszor beléő torlóonti és környezeti statikus nyomások hányadosa a reülési Mach-szám, valamint a szívócsatorna össznyomás-visszanyerési tényezőjével számítható, így a tolóerő végkélete: 0 M A M () (9) 95
F t 0 M 0 0 0 sz 4 0 M A M 0 M A M EPR (0) ahol sz a szívócsatorna össznyomás-visszanyerési tényezője, / 0 Előfordul sok helyütt, hogy a turbina utáni 4 torlóonti nyomás helyett az azzal jó közelítéssel azonos 6 fúvócsőbe beléő torlóonti nyomást helyettesítik: EPR 4 6 () Megállaítható tehát, hogy adott reülési magasságon, mely a 0, illetve a T0 statikus hőmérsékleten keresztül a 0 adiabatikus kitevőt határozza meg, adott M0 reülési Mach-szám mellett, változatlan hajtómű üzemmódot, azaz állandó M,, sz és esetleg A feltételezésével a tolóerő a turbina utáni 4 és komresszor előtti torlóonti nyomások viszonyának, vagyis a hajtómű nyomásviszony egyértelmű függvénye: F t f EPR, M, T 0 0, Ennek értelmében azon hajtóművek esetében, ahol lehetséges ezen nyomások mérése és bevezetése a szabályozó rendszerbe, ott a tolóerő állandó értéken tartása hatékonyabban megvalósítható, mint a hagyományos fordulatszám szerint működő megoldásoknál. Mind a olgári (l. International Aero Engines IAE V500, []), mind a katonai reülőgé-hajtóművek (l. Pratt & Whitney F000-PW-0, [4]) tekintetében széles körben elterjedt megoldásról van szó. Érdekes megjegyezni, hogy a V500 hajtómű esetében a szabályozó rendszer a reülési Machszámot, környezeti hőmérsékletet és reülési magasságot az ADIRU 7 számítógétől kaja, hogy a (0) kélet további tényezőit meghatározhassa. Ennek az elvi vázlata látható a. ábrán, melyen T a komresszor beléő hőmérsékletét, TAmb a környezeti hőmérsékletet jelöli, Alt a reülési magasságra, Mn edig a reülési Mach-számra utal. A torlóonti nyomások tekintetében a P a komresszor beléő, P4.9 edig a turbina utáni értéket kéviseli. 0 () 7 ADIRU: Air Data and Inertial Reference Unit 96
. ábra Az IAE V500 hajtómű szabályozórendszerének elvi vázlata [] Az F00-PW-0 hajtómű viszont rendelkezik változtatható keresztmetszetű fúvócsővel, így kétaraméteres szabályozást valósít meg a digitális elektronikus rendszer, mely ott a DEEC nevet viseli. Ez azt jelenti, hogy a tüzelőanyag-betálálással a ventilátor (kisnyomású komresszoron) átszámított fordulatszáma, vagyis a rajta átáramló levegőmennyiség tartható állandó értéken, míg a fúvócső keresztmetszet állításával az EPR is állandósítható, így tulajdonkéen a tolóerő legfontosabb araméterei egyszerre kézben tarthatóak, a tolóerő változatlanságát biztosítva [4]. Mindezek alaján megállaítható, hogy a TKT- sugárhajtómű szabályozórendszerének EPR szerinti működésre való felkészítése jelentős előreléést jelent, mely az oktatásban való felhasználási területet is figyelembe véve számottevően növeli a berendezés kéességeit. Földi teleített kivitele azonban olyan korlátokat is felvet, melyek éen a reülőgé üzemmódját leíró araméterek befolyását küszöbölik ki, tehát az előzőekben megállaítottak szerinti Mach-szám és reülési magasság jelentette hatások nem vizsgálhatóak ezzel a konfigurációval. Későbbiekben tehát szükség lesz olyan fejlesztésre, amit modell reülőgére éítve széles üzemmód-tartományban folytatott méréseket tehet lehetővé, tovább bővítve ezáltal a jelenlegi adottságokat. A HAJTÓMŰ NYOMÁSVISZONY SZERINTI SZABÁLYOZÁS KIVITELEZÉSE A hajtóművet érintő módosítások Jóllehet a turbina utáni nyomás mérésének igénye már a kezdetektől fogva megvolt, azonban torlóonti, statikus nyomásokat szolgáltató és iránymérést is megvalósító szondának a kiéítése anyagi korlátok miatt ennek a megvalósítása egészen 03 elejéig váratott magára. Ekkor a tervezett új szabályozórendszer megkövetelte legalább a torlóonti nyomás mérését, melyet a DEEC: Digital Electronic Engine Control, az F00-PW-0 hajtómű digitális elektronikus szabályozóegysége 97
már meglévő elemek minimális bontásával kellett azonban létrehozni, ami nem tette lehetővé a legkedvezőbb konstrukció kialakítását. Emiatt, illetve egyéb tényezők okán a statikus nyomás mérésének kialakítását elvetettük, az iránymérésre alkalmas szonda megvalósításával együtt, és kizárólag a torlóonti nyomás felvételére törekedtünk. Azon reülőgé sugárhajtóművek esetében ugyanis, ahol a turbina utáni nyomást mérik akár szabályozási, akár felügyeleti célzattal a turbinát követő bordákban helyezik el a nyomás felvételi csonkokat. Egy ilyen megoldást lehet látni a 3. ábrán, ahol az IAE V500 hajtóművön ezen bordák a kisnyomású turbina hátsó csaágyának megtámasztását is végzik []. 3. ábra Az IAE V500 hajtómű turbina utáni nyomásának mérése A TKT- esetében azonban a bordákhoz való hozzáférés beéített állaotban jelentősen korlátozott, ezért független szondáknak az elhelyezése mellett döntöttünk. Az új alkatrészek a turbina utáni diffúzor közonti kúját tartó bordák mögötti térben, a kerület mentén a három borda között egyenlő osztással kerültek beszerelésre. Minden szonda három sugáron végez mintavételezést, melyek egy közös furaton keresztül, mint átlag jutnak el a három szonda jeleit átlagoló közös vezetékbe. Így összességében kilenc helyszín eredményez egy értéket, melyet egy MPXV705 iezorezisztív érzékelő segítségével konvertálunk a nyomással arányos feszültségjellé. Ezt már közvetlenül be lehet kötni a mérő-adatgyűjtő rendszerbe, valamint továbbítható a szabályozó irányába. A nyomásmérő szonda kialakítását mutatja a 4. ábra, melyen megfigyelhető, hogy az egyes nyomásvételi ontok előtt egy rövid, megnövelt átmérőjű előkamra található, mely a szonda irányérzékenységét hivatott csökkenteni. Erre amiatt volt szükség, mert a hajtómű matematikai modelljének adatait alaul véve, a turbinát elhagyó áramlás üzemmódtól függően 0-0 fokos szöget zár be a hajtómű hossztengelyével, vagyis számottevő irányváltozás következik be az üzemi tartományon belül is. Ezzel a megoldással azonban ±3 eltérés esetén is %-on belüli hibával mérhető a torlóonti nyomás [3]. 9
Az új szabályozórendszer hardvere 4. ábra A nyomásfelvevő szonda Az előző szabályozóegység, a PELE -es verziójának kialakítása nem tartalmazott olyan mértékű továbbfejlesztési lehetőséget, mely biztosította volna az új, megnövekedett igények kielégítését. Felmerült ugyanis az, hogy a fejlesztés alatt álló szabályozó működése során nyerhessünk adatokat az általa érzékelt adatokról, megkönnyítve ezzel az esetleges hibafelderítést, valamint a felhasználó számára további beállítási lehetőségeket is nyújthat. Az új szabályozó, a PELE3 áramköre, tekintettel a szabályozott gázturbina azonosságára, nyomokban tartalmaz hasonlóságot a régi variációval, alajaiban azonban új konstrukció. Mivel a [6]-ben a hardver már részletezésre került, itt csak vázlatosan mutatjuk be, koncentrálva azokra a kéességekre, melyeket azóta nyert el a fejlesztés további léései során. A PELE-höz kéest a lehetőségek kibővítése érdekében a közonti mikrokontroller (MCU 9 ) egy Freescale MC9S0SH tíusú IC, mely 0 lábú DIP 0 tokozásban kerül forgalomba, kb belső Flash rogram- és 5 bájt statikus RAM-ot tartalmaz. Analóg-digitális átalakítója 0 csatornás multilex lehetőséggel rendelkezik, valamint a további digitális bemenetek nyomógombok kezelését is biztosítják a kétsoros karakteres LCD mellett. Két 6 bites számlálója PWM jelek létrehozását, illetve mérését teszi lehetővé. Az LCD vezérlését a korábbi fejlesztésekben már bevált 7464 tíusú SIPO 3 IC-re éülő áramkör végzi, így az adatokat bájtonként fogadó LCD felé elegendő három jel, az adatvonal, valamint a SIPO IC és az LCD órajel vezetéke, szemben az adatot árhuzamosan továbbító kialakítás tíz vezetékével []. Így az MCU felszabaduló lábai további feladatokat végezhetnek. Az kijelző segítségével beállításokat is lehet végezni, az ezekhez szükséges kommunikációt a felhasználóval nyomógombokon keresztül biztosítja a PELE3. Az áramkör rendelkezik még egy RS3 szabvány szerinti kommunikációt biztosító résszel, mely személyi számítógéhez soros vonalon keresztül történő adattovábbítást tesz lehetővé. 9 MCU: MicroController Unit, mikrokontroller 0 DIP: Dual Inline Package, kétsoros lábosztású integrált áramköri tokozás LCD: Liquid Crystal Dislay, folyadékkristályos kijelző PWM: Pulse Width Modulation, imulzus-szélesség moduláció 3 SIPO: Serial In Parallel Out, soros bemenetű, árhuzamos kimenetű integrált áramkör 99
A hardver alavető önellenőrzési kéességekkel is fel lett ruházva. Mivel a nyomásérzékelők eleve valamilyen nullonti eltolással rendelkező jelet adnak ki, itt egyszerű volt a szenzor helyes működésének megállaítása. A HVK és a GSF vezérlő kar tekintetében kis átalakításra volt szükség, az ezekhez tartozó otenciométerekkel sorosan két további, fix ellenállás került elhelyezésre, egy a tá, egy a föld irányába. Így a otenciométerrel elérhető minimális feszültség mindig nagyobb, mint zérus, illetve mindig kisebb, mint a táfeszültség. Ismervén a fix ellenállások értékét, meghatározható az a tartomány, amit normális körülmények között mérhetünk, és ha ebből kiesik az aktuális eredmény, akkor az az adott érzékelő hibájára utal. A működtetést végző szoftver Jelentős változás a PELE-höz kéest a működés legfontosabb adatainak valós időben történő megjelenítése az erre a célra integrált LCD-n. Ennek és menügombjainak segítségével interaktív módon valósítható meg a hajtómű üzeme. Kiemelten nagy szeree volt azonban a fejlesztésben, amikor a szabályozó helyes működésének ellenőrzésére is lehetőséget nyújtott. A számos különböző kéernyő egyszerűsített vázlatát mutatja az 5. ábra. 5. ábra: A PELE3 menürendszere Tekintettel a sugárhajtómű kutatási és oktatási céljaira, a PELE3 szoftvere az összes eddigi lehetőséget biztosítja, nem csak egyetlen szabályozási törvényszerűség vizsgálható a segítségével. A PELE-ben megvalósított komresszor nyomásviszony szerinti működés azonban kibővült az EPR szerinti szabályozással, valamint egy különleges üzemmóddal, mely kées a hajtómű átviteli függvényének meghatározása érdekében a szabályozó bemenetet, az arányos szele feszültségét időben növekvő frekvenciájú négyszögjel szerint vezérelni, és az így előálló tranziens folyamatok során meghatározható a bemenet és a kívánt hajtómű jellemző, mint kimenet közötti komlex átviteli függvény, mellyel a szabályozó rendszer tervezése megvalósítható. Az identifikáció szükséges volt az EPR alaú irányítás kialakításához, melynek egy jellemző adatsorát mutatja az 6. ábra. Ezen megfigyelhető a beavatkozó jel változása, ez a TKT- esetében az arányos szelere adott feszültség []. Megfigyelhető a iros vonallal mutatott araméter időbeli lefutásában, hogy egyre nagyobb frekvenciájú négyszögjellel történt a megtálálás, mely alkalmas a változó frekvenciájú szinuszos gerjesztés helyettesítésére, tekintettel arra, hogy egyszerűbb megvalósítani, és a négyszögjel hirtelen létrejövő fel- és lefutó élei Fourier-analízissel bizonyíthatóan az alafrekvencia áratlan egész számú többszöröseiből álló felharmonikusok alkotják [9]. A frekvencia 00
/0Hz-től kb. 0 Hz-ig került változtatásra, ami megfelel a gyakorlatban előforduló, hajtóművet érő hatások tartományának. A kék görbe jelöli a rendszer válaszát, mely esetünkben a hajtómű nyomásviszony. A kiértékelés során mindkét jellemzőt a kezdeti stabil állaotnak megfelelő közéérték, mint munkaont körüli differenciaként értelmeztük. 6. ábra Az identifikációs mérés két jellegzetes adatsorozata A kaott diszkrét időillanatokban mintavételezett bemenő és kimenő jellemzők adatsorait MATLAB segítségével értékeltük ki, első léésként létrehozva a diszkrét idejű rendszer átviteli függvényét Outut-Error modellel, majd edig ennek folytonos idejű megfelelőjét számítottuk a dc függvény segítségével. A kialakult átviteli függvény a következőre adódott: 0.00049s 0.00646s 0.0667 G s (3) s 5.s 7.4 Mivel a számláló első- és másodfokú tényezői jelentősen kisebbek, mint a nulladfokú együttható, célszerűnek mutatkozott egy egyszerűsítés vizsgálata, mely a (4)-ben bemutatott formájú átviteli függvényt eredményezte. Összehasonlítva az eredetivel, a 7. ábra Bode-diagramja alaján megállaítható, hogy 0 rad/s feletti körfrekvenciák esetében amlitúdóban jelentős és fázisban csekély eltérés taasztalható. Ez a frekvencia azonban már nem jellemző a hajtómű üzemére, tehát kijelenthetjük, hogy az általunk alkalmazott közelítés céljainknak megfelel []. 0.0667 G s (4) s 5.s 7.4 A rendszer átviteli függvényének meghatározását követően egy PID 4 szabályozót terveztünk, tekintettel annak sokoldalúságára, egyszerűségére [7], melynek otimális beállítását a MATLAB automatikus hangoló funkciójának segítségével értük el. 4 PID: Proorcionális-Integráló-Deriváló soros komenzációs szabályozás 0
7. ábra A (3) és (4) átviteli függvények összehasonlítása Bode diagramban Tekintettel arra, hogy a változtatható geometriával rendelkező sugárhajtóművekkel ellentétben a TKT- esetében a GSF keresztmetszet tetszőlegesen állítható a fordulatszámtól függetlenül, ezért a szabályozásban referenciaként a két független beavatkozó jelet figyelembe kellett venni. Így alakult ki az elvárt EPR jellegfelület, mely tehát a HVK és GSF állások függvénye, amit a. ábra mutat. Mint az jól megfigyelhető, a hajtómű nyomásviszonya csekély változást mutat abban az esetben, ha a GSF teljesen nyitva van (00%-os helyzetben), míg a hatása növekszik, amennyiben a kiléő keresztmetszet csökken, jól érzékeltetve azt a körülményt, hogy közel azonos közegmennyiséget csak jelentősen megnövekedett fúvócső rendelkezésre álló nyomásviszony kées számottevően kisebb felületen keresztül átmozgatni. A jellegfelület keresztregresszió segítségével a (5) által mutatott kétváltozós másodfokú függvényként került meghatározásra, amely ilyen formán került berogramozásra a mikrokontrollerbe [].. ábra Az elvárt hajtómű nyomásviszony a GSF és HVK függvényeként 0
(0,0366 GVK,344) EPR( HVK, GVK ) HVK 6 0 0,00039 GVK 0,07355 GVK 3,6397 HVK 3 0 0,0000 GVK 0,00397 GVK,37 (5) Ezen kívül számos beállítási lehetőség is kialakításra került, melyekkel a szabályozó aktuális viselkedése módosítható, l. amennyiben a működés során eltérő araméterek tesztelése válik szükségessé a PID szabályozó valósidejű hangolása céljából, ezen beavatkozások azonnal elvégezhetőek, és hatásuk is rögtön érvényre kerül. Mindezeken felül a PELE3 rendelkezik egy korlátozott önellenőrző kéességgel (BITE 5 ), mely a nyomásérzékelők, valamint a hajtóművet üzemeltető személyzet által adott HVK és GSF referenciák esetében kées kiszűrni a hibás adatokat, és ebben az esetben a kijelzőn az adott érték utolsó számjegye helyett x jelet téve a kezelő személyzet tudtára adni a rendellenességet. Ahogy ez az iarban is széles körben elterjedt és najainkban is beható kutatások folynak ezen a területen [3], a PELE3 esetében is fontos feladat volt a BITE kiéítése, hogy ezzel megkezdjük egy alaosabb lehetőségekkel rendelkező diagnosztikai alrendszer megvalósítását, mely részint a fejlesztést hivatott segíteni, de leginkább a hajtómű üzembiztonságának növelése az elsődleges cél. A szabályozórendszerrel végzett mérések A PELE3 elkészültét követően különböző méréseknek vetettük alá, melyek javarészt sikeresnek mondhatóak, de vannak olyan területek is, ahol további fejlesztésekre van szükség. Az első ilyen mérés során néhány jellegzetes fordulatszámon végeztünk hosszabb járatásokat, annak érdekében, hogy az egyes üzemállaotok stabilizálódhassanak. Ennek eredményekéen két fontos összefüggést mutatunk be, melyek közül az első az EPR és a tolóerő kacsolatát írja le, és a 9. ábrán látható. Megállaítható, hogy jól korrelál a két araméter, viszont a mérés igen zajos, a későbbiekben a nyomásszenzor neumatikus, valamint elektromos oldalát is behatóan meg kell vizsgálni, hogy az effajta ontatlanságok csökkenthetőek legyenek. 9. ábra A hajtómű nyomásviszony és a tolóerő összefüggése 5 BITE: Built-In Test Equiment, beéített önellenőrző egység 03
A második diagram, melyet a 9. ábra mutat, a mérés lefolyását vázolja fel a legfontosabb araméterek tükrében. Megfigyelhető a diagram tetején a referencia és mért EPR értékek együttfutása, melyről megállaítható, hogy amikor a GSF változtatás hatására jelentős EPR referencia módosulás jön létre, a szabályozó megfelelő módon követi le a változásokat. Amikor azonban HVK állítás történik, amire kevésbé erőteljesen változik a hajtómű nyomásviszony nyitott GSF mellett (tekintettel arra, hogy minden fordulatszám-változtatás előtt a fúvócsövet teljesen kinyitottuk), a szabályozó reakcióideje jelentősen megnyúlik, ami az elégtelen P-tag értékre utalhat. Ennek megfelelően a továbbiakban a szabályozó hangolása válik szükségessé, hogy az ilyen jellegű késleltetéseket minimális mértékre lehessen korlátozni. 0. ábra Egy jellegzetes mérés az EPR alaú szabályozóval EGYÉB FEJLESZTÉSEK A komresszor állólaátozásának módosítása A szabályozórendszer továbbfejlesztése mellett a gázturbinás sugárhajtómű kacsán is történtek előreléések. Ezek egyike a centrifugális komresszor állólaátozásának (diffúzorának) áttervezése, illetve az előtervek numerikus áramlástani szoftverrel való ellenőrzése. A diffúzorlaátok megváltoztatására az adott nyomós okot, hogy a diffúzorház belső felületén egyértelmű leválási nyomokat lehet felfedezni, mely a laátozás elégtelen hatásfokára utal, ezt mutatja a. ábra. 04
. ábra A TKT- diffúzor háza belülről a laátok körüli leválási nyomokkal A helyzet alaosabb megismerése érdekében a mérő-adatgyűjtő rendszer is továbbfejlesztésre került, a diffúzorházon kialakításra került négy fali statikus nyomás felvételére alkalmas csonk, melyek egy közös csövön keresztül egy újonnan beéített iezorezisztív nyomásérzékelőhöz jut, onnan edig az adatgyűjtő egységeken keresztül a vezérlő számítógéhez. A diffúzor utáni keresztmetszetbe további négy K tíusú (krómel-alumel) hőelemet helyeztünk el, statikus hőmérséklet mérése céljából, tekintettel arra, hogy energiabevezetés híján a komresszor járókerék előtti torlóonti mérési onthoz kéest csak a mérési hiba okán lehetne eltérés. A négy hőelemet sorba kötve a négy mérési ont egyedi feszültségeinek összege kerül mérésre, amit aztán a hőelemek számával osztva átlagos értéket nyerhetünk. Ezen kívül a tüzelőanyag-rendszer alkalmazta eddig az égéstér köenyén kialakított torlóonti nyomásfelvételi csonkot, most egy elágazáson keresztül ezt az információt is rögzítjük. Továbbá, ami bár már régóta rendelkezésre állt, mint lehetőség, csak nyomásérzékelő híján nem tudtuk digitalizálni, a komresszor járókerék utáni fali statikus nyomás is bekötésre került a kiértékelő rendszerbe.. ábra A diffúzor torlóonti nyomásviszony-vesztesége 05
Ezzel a kibővített konfigurációval több mérést is végeztünk, hogy megállaítsuk a diffúzor veszteségét, és számottevő eltérést taasztaltunk a diffúzor beléés és kiléés között, mely magyarázatot ad az áramlási tér belső falán található leválási nyomokra. A. ábrán mutatjuk be a mért összefüggést a beléő és kiléő nyomás között, valamint a veszteségi tényező értékelését. Mint az látható, a hajtómű a biztonságos érdekében messze üzemelt a névleges ontjától, a mérés során maximálisan elért,7-es nyomásviszony a méretezési fordulatszámnak közelítőleg 5%-ánál jön létre. Ekkor azonban már 0,5-ös nyomásviszony-csökkenésnek megfelelő veszteségnek keletkeznek a diffúzorban, amit extraolálva a 3,5-ös névleges nyomásviszonyra [5], ott 0,9-es különbség valósulna meg. Ha a veszteségek növekedése a nagyobb fordulatszámtartományon a mérttel megegyező tendenciát mutat, akkor ez annyit jelent, hogy a járókerék nagyjából 4,4-es torlóonti nyomásviszonyt hoz létre névleges körülmények között, melyből az állólaátozás azonnal felemészt 0,9-et, így hozva létre a végleges 3,5-es értéket. Tekintettel a járókerék radiális laátozására, a méretezési 50500 /min fordulatszámra, illetve a forgólaátok kiléő D = 75mm átmérőjét [5], teljesen ideális viszonyokat feltételezve az előállítható elméleti nyomásviszonyt a termodinamikai és áramlástani oldalról megközelített teljesítmény kifejezésével határozhatjuk meg. Egyszerűsítve a tömegárammal, a bal oldalon az ideális adiabatikus komresszió technikai munkája jelenik meg, jobb oldalon edig a erdületmentes beléést feltételező Euler turbinaegyenlete látható. Figyelembe kell venni természetesen a járókerék laátcsatornáiból kiléő közeg erdületaadását, melyet 0,5 értékkel lehet közelíteni a TKT- esetében [5]. A gázjellemzők közül az izobár fajhőre c 0 J/kgK, az adiabatikus kitevőre edig,396 értéket lehet közelítőleg felvenni a várt hőmérséklet-tartományban. c T K, elm u cu ahol c a komresszor munkaközegének közees izobár fajhője T a komresszorba beléő közeg torlóonti hőmérséklete K,elm a komresszor elméleti torlóonti nyomásviszonya u a járókerék külső kerületi sebessége cu a munkaközeg kiléő sebességének kerületi komonense Rendezve a (6) egyenletet, az elméleti nyomásviszony: (6),396 0,396 m 0,75 46,73 u cu, s K elm 5,5 c J T 0 K kgk Vagyis kifejezve a névleges nyomásviszonyból számítható hasznos technikai munka segítségével a teljes komresszor hatásfokát, valamint a feltételezett 4,4-es járókerék torlóonti nyomásviszony alaján edig a járókerék hatásfokát kahatjuk meg. Mint látható, a járókerék nagyjából 4%-os, a teljes komresszor 6%-os értékekkel rendelkezik, ami közelítőleg %-os (7) 06
diffúzor hatásfokot feltételez. Ez azt jelenti, hogy az állólaátozás közel azonos, vagy esetleg csekély mértékben kedvezőtlenebb körülményeket teremt a komresszió során, mint a járókerék, holott ez utóbbiban l. résveszteség és számos más hatás érvényesül, melyek alavetően rosszabb feltételeket jelentenek. K c c T T K, mér K, elm 3,5 5,5 0,57 0,57 0,4303 0,64 0,69 () JK c c T T JK K, elm 4,4 5,5 0,57 0,57 0,570 0,3 0,69 (9) ahol K a komresszor izentróikus hatásfoka JK a járókerék izentróikus hatásfoka K,mér JK a komresszor méretezési torlóonti nyomásviszonya a járókerék torlóonti nyomásviszonya Az elvégzett mérések során a komresszor járókerék utáni statikus nyomásmérő rendellenességeket mutatott, így azt a diffúzor statikus nyomásnövekedésének megállaítására nem tudtuk figyelembe venni. Azonban a T statikus hőmérséklet ellenőrzése megtörtént a diffúzor utáni torlóonti és statikus nyomás ismeretében, ezt az elfogadható korrelációt mutatja a 3. ábra, mely a gázdinamika alaján [0] a (0) egyenlettel írható fel, mely lényegében (7) átrendezett alakja. A torlóonti hőmérséklet csak egy érdekes összehasonlítás végett került a diagramra, mely a diffúzor hősugárzást leárnyékoló hatását szemlélteti. A hajtómű leállítását követően, nem sokkal 5:4 előtt a diffúzor előtt elhelyezett torlóonti szenzor számottevően alacsonyabb hőfokot kezd jelezni a diffúzor utáni statikus érzékelőhöz kéest, ami megmarad a leállított állaot során az idősor végéig. Ennek oka a felhevült égéstér köeny hősugárzása, mely eléri a diffúzor utáni (statikus hőfokot mérő) hőelemet, viszont a járókerék utáni torlóontit nem befolyásolja. T T Ezek ismeretében kiemelt hangsúlyt kaott az állólaátozás áttervezése, mellyel nagymértékű javulást lehet előidézni a teljes hajtómű hatásfokát, illetve tolóerejét tekintve. Mindemellett fontos megemlíteni, hogy a diffúzor, mint álló komonens módosítása nagyobb eséllyel megvalósítható módosítás, mely mégis számottevő eredményre vezethet az áramlási csatorna veszteségeinek csökkentése terén. (0) 07
3. ábra A komresszor utáni mért (kék) és számított (iros) statikus, valamint torlóonti (zöld) hőmérséklet Egy készülő dilomaterv keretében részletes CFD 6 vizsgálatok kerültek elvégzésre a diffúzorbeli áramlások feltérkéezésére, másrészt edig a fentebb említett mérőrendszer bővítéssel ezen számítások validálása történhetett meg. A numerikus áramlástani szoftver segítségével edig új laátozás kialakítására volt lehetőség, melyet gyors rototíus-gyártással valósítottunk meg. Az új laátozás látványterve, valamint az elkészült mintadarab a 4. ábrán láthatóak. 4. ábra Az új diffúzor laátozás látványterve és a kivitelezett éldány ELÉRT EREDMÉNYEK, TOVÁBBFEJLESZTÉSI LEHETŐSÉGEK Az elmúlt időszak ismételten nagy horderejű fejlesztéseket tett lehetővé a TKT- kísérleti és oktatási célú sugárhajtómű tekintetében. Elkészült a PELE szabályozó következő generációja, 6 CFD: Comutational Fluid Dynamics, numerikus áramlástan 0
mely az eddigieken túl a hajtómű nyomásviszony szerinti irányítást is biztosítja, valamint kées olyan előre rogramozott bemenő jelet létrehozni, mellyel a gázturbina beavatkozó jelekre adott válasza is mérhető. Habár még nem nevezhető teljes hatáskörű szabályozónak, fontos lécső a bonyolultabb rendszerek megalkotásának folyamatában, az ezzel nyert taasztalatok mind hardver, mind szoftver oldalon beéíthetőek a későbbi kutatásokba. A továbbfejlesztés első lehetősége a már folyamatban lévő TEDDI rendszer moduláris elektronikáit illeti, melyekben a PELE3-mal nyert eredmények integrálhatóak. Ezen kívül maga a PELE rendszer is egycsatornás FADEC rendszerré alakítható, ezáltal az újabb konstrukciók további információkkal bővülhetnek, melyek a ontosabb, hatékonyabb működést szolgálják. Érdekes és egyben fontos irányzatot a PID megoldáson kívüli, további lineáris és nemlineáris irányítási algoritmusok kifejlesztése, valamint tesztelése. Folyamatban van egy másik, elsődlegesen a 00-300N tolóerő tartományba eső modell sugárhajtóművek szabályozórendszerének kifejlesztése is, ezzel olyan lehetőségek is adódnak, melyek messze túlmutatnak a földi, teleített róbaad adta korlátokon, l. tolóerő automata funkció létrehozása, távirányítással történő működés. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezúton szeretnénk köszönetet mondani a Varinex Kft-nek, akik lehetővé tették az új diffúzor laátozás megvalósítását gyors rototíus-gyártásuk keretében. Ezen kívül köszönet illeti HOR- VÁTH ÁDÁMOT és TÓTH VILMOST, a BME Vasúti Járművek, Reülőgéek és Hajók Tanszék reülőgéész hallgatóit, akik az EPR szerinti szabályozás kidolgozásában, illetve a diffúzor módosítási munkálataiban vettek részt. 09
FELHASZNÁLT IRODALOM [] Airbus A30 Maintenance Training Manual. AEROK Kft., Budaest, 03. [] ANDOGA, R., MADARÁSZ, L., FŐZŐ, L., LAZAR, T., GAŠPAR, V.: Innovative aroaches in modeling, control and diagnostics of small turbojet engines. In: Acta Polytechnica Hungarica. Vol. 0, no. 5 (03),. -99. ISSN 75-60. [3] ANDOGA, R., FŐZŐ, L., MADARÁSZ, L., KAROĽ, T.: A Digital Diagnostic System for a Small Turbojet Engine, In: Acta Polytechnica Hungarica. Vol. 0, no. 4 (03),. 45-5. ISSN 75-60 [4] BENEDA Károly Tamás: A TKT- sugárhajtómű fejlesztése és alkalmazása a BME reülőgées kézésében. Reüléstudományi Konferencia, Szolnok, 00. HU ISSN 79-770X. [5] BENEDA Károly Tamás: Centrifugálkomresszor fali megcsaolásán alauló aktív omázs-szabályzásának matematikai modellje. Reüléstudományi Konferencia, Szolnok, 00. HU ISSN 79-770X. [6] BENEDA Károly Tamás HORVÁTH Ádám TÓTH Vilmos: A TKT- gázturbinás sugárhajtómű fejlesztése. Reüléstudományi Konferencia. Szolnok, 03. HU ISSN 79-770X,. [7] BHATTACHARYYA, S. P.; DATTA, A.; and KEEL, L. H.: Linear Control Theory: structure, robustness, and otimization. CRC Press, Taylor and Francis Grou, Boca Raton (FL), USA, 009. ISBN 97-0-493-4063-5. [] CLIFFORD, Michelle: Water Level Monitoring. Freescale Alication Note AN950, 006. [9] DORF, Richard C.; and BISHOP, Robert H.: Modern Control Systems. Tenth Edition. Pearson Educational International, Uer Saddle River, 005. ISBN 0-3-7765-0. [0] GRUBER, J., SZENTMÁRTONY, T.: Gázdinamika. Egyetemi tankönyv. Tankönyvkiadó, Budaest, 954. [] HORVÁTH Ádám TÓTH Vilmos BENEDA Károly Tamás: A TKT- gázturbinás sugárhajtómű tüzelőanyag- és szabályozó rendszerének fejlesztése. Reüléstudományi Konferencia, Szolnok, 0. HU ISSN 79-770X,. 54-79. [] HORVÁTH Ádám: Teljes hatáskörű digitális elektronikus szabályozórendszer tervezése kisméretű sugárhajtóműhöz. Dilomaterv, BME Vasúti Járművek, Reülőgéek és Hajók Tanszék, Budaest, 03. [3] LOGAN, Earl Jr. and ROY, Ramendra (ed.): Handbook of Turbomachinery. Marcel Dekker, Inc.; New York, 003. ISBN 0-47-0995-0. [4] PRATT and WHITNEY: F00-PW-0E Training Course, Engine Familiarization. Pratt & Whitney Engine Technical Institute, Document Number ET 9-04. [5] Re/7. Az 55 tíusú hajtómű műszaki üzembentartási szakutasítás. könyv. Honvédelmi Minisztérium, 90. [6] ROWE, Arthur L.; KURZ, Nikolaus: Control System for a Ducted Fan Gas Turbine Engine, United Kingdom, 997. október 30. [7] SÁNTA Imre: Reülőgé hajtóművek elmélete II. Előadásvázlatok, BME Reülőgéek és Hajók Tanszék, 009. [] WATANABE, A., ÖLÇMEN, S. M., LELAND, R., WHITAKER, K. W., TREVINO, L. C.: Soft Comuting Alications on SR-30 Turbojet Engine. st AIAA Intelligent Systems Technical Conference Chicago, Setember 0-, 004 0