Чаще всего газотурбинные двигатели используются в авиации. Но и на земле им находят применение в газотурбинных установках на газоперекачивающих станциях. При их работе, из камеры сгорания в атмосферу выбрасываются продукты горения топлива, такие как оксиды азота, оксиды углерода, углеводороды. Все это негативно сказывается на окружающей среде. Ученые Пермского Политеха предложили в новых, более экологичных двигателях с малоэмиссионными камерами сгорания использовать систему автоматического управления, которая будет осуществлять мониторинг процесса организации горения, что позволит избежать аварийные режимы работы двигателя и обеспечит экологическую безопасность. Алгоритм управления включает встроенную полуэмпирическую математическую модель камеры сгорания, разработанную на основе физического уравнения Зельдовича, которая выполняет функцию виртуального сенсора для контроля за выбросами вредных веществ. Разработка выполнена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Исследование опубликовано в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника № 72» 2023 год.
— Очевидно, что, чем больше топлива в топливовоздушной смеси, тем быстрее летит самолет, но тем больше выброс вредных веществ в атмосферу. Чтобы обеспечить экологические требования и при этом не терять скорость и мощность двигателя, в двигателях нового поколения используется малоэмиссионная камера сгорания, которая работает с обедненной топливовоздушной смесью. Она содержит в себе малое количество топлива. Однако с определенного момента снижения количества топлива, в камере сгорания наблюдается срыв пламени. Это аварийный режим для двигателя. Приближение к такому моменту колебания пламени (виброгорению) характеризуют пульсации давления в жаровых трубах. Чем больше колебания по амплитуде, тем ближе срыв пламени, — объясняет доцент кафедры конструирования и технологий в электротехнике Татьяна Кузнецова.
Чтобы контролировать дынные процессы политехники разработали систему автоматического управления, которая способна прогнозировать выбросы оксидов азота и углерода в атмосферу из камеры сгорания и пульсацию давления в жаровых трубах в зависимости от потребляемого топлива. Это происходит с помощью вероятностной матмодели, построенной по термическому механизму Зельдовича, которая по данным с датчиков вычисляет неизмеряемую величину эмиссии оксидов азота.
Проведенные исследования позволили повысить точность модели. Уточнение производилось за счет учета неоднородности процесса горения в жаровых трубах.
Для этого был проведен корреляцонный анализ предоставленных экспериментальных данных с помощью разработанного ПО на Python.
В результате был сформулирован количественный критерий, позволяющий оценивать качество организации горения в камере сгорания. В качестве такого количественного критерия выступает коэффициент корреляции Пирсона, который позволяет уточнить величину отклонения от ожидаемого состава топливовоздушной смеси для индивидуальной жаровой трубы или горелки. Эти значения используются в вероятностной математической модели генерации оксидов азота на основе уравнения Зельдовича.
— Эффективность модели подтверждается сопоставлением расчетов с экспериментальными показателями эмиссии оксидов азота при работе двигателя. Поэтому можно смело говорить о том, что система управления снизит выброс вредных веществ и поможет избежать аварийных режимов работы двигателя, — поделился профессор кафедры авиационных двигателей Валерий Августинович.
По словам специалистов, стендовые испытания на имитаторе двигателя были проведены в АО «ОДК-Авиадвигатель».
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % — региональные университеты.