Авиация — один из крупнейших источников выбросов вредных веществ. Особенно это касается оксидов азота, которые выделяются в процессе сгорания топлива. Его высокие концентрации опасны для человека, при длительном воздействии эти газы приводят к воспалению дыхательных путей, бронхиту и онкологиям. Особенно в группе риска находятся жители крупных индустриальных городов. Наибольшую опасность оксиды азота представляют в качестве активного компонента смога. Создание экологичных авиадвигателей требует совершенствования систем автоматического управления. Особую сложность представляет управление камерой сгорания газотурбинного двигателя, так как необходимо соблюдать баланс между их стабильной работой и минимизацией выбросов. Ученые ПНИПУ разработали систему, которая снижает концентрацию выбросов оксидов азота более чем на 3% и повышает экологическую эффективность при стабильной работе камеры сгорания.
Исследование опубликовано в журнале «Мехатроника, автоматизация, управление», том 25, №5 за 2024 год. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Камера сгорания — одна из самых важных частей газотурбинной установки, в которой внутренняя энергия топлива превращается в энергию горячего газа для работы турбины. Это происходит, когда для сжигания топлива используют окислитель (кислород воздуха), поступающий под высоким давлением после компрессора. При этом образуются газообразные продукты сгорания высокой температуры, в том числе оксиды азота.
Для устойчивой работы камеры сгорания в авиадвигателе важно, чтобы она поддерживала оптимальное соотношение топлива и воздуха на разных режимах. Требования экологии сужают область этого соотношения. При этом управление концентрацией выбросов может привести к неустойчивому горению пламени камеры сгорания и нарушениям в работе двигателя.
Отечественные и зарубежные ученые уже внесли вклад в снижение выбросов оксидов азота, исследуя автоматическое управление силовых установок, однако в существующих работах при проектировании регуляторов не учитываются многие требования, например, на затрачиваемые ресурсы и на время работы в «жестком реальном времени» (гарантированное время отклика системы на конкретное событие). Эти показатели тоже влияют на выбросы азота и устойчивость горения пламени в камере сгорания.
Ученые Пермского Политеха представили новый подход к управлению камерой сгорания авиадвигателя и разработали модель этой системы. Решение подразумевает коррекцию расхода топлива между коллекторами камеры сгорания за счет введения обратной связи по оксидам азота в систему автоматического управления двигателем. По задумке информация о состоянии двигателя поступает в электронный регулятор, который обрабатывает ее и формирует управляющее воздействие. Устойчивость горения при этом обеспечивается равномерным перераспределением топливовоздушной смеси с помощью коллекторов.
В рамках современного подхода к мониторингу и снижению выбросов оксидов азота в двигателе ученые ПНИПУ предложили использовать два адаптивных нейронных измерителя.
Первый нейронный измеритель настроен на границу, близкую к «виброгорению», с 10%-ным запасом по устойчивости. Это означает, что он работает в диапазоне, где выбросы оксидов азота минимальны. Значение, выдаваемое этим измерителем, является эталонным для системы. Такой подход позволяет поддерживать выбросы на минимальном уровне и обеспечивать оптимальные экологические показатели. Второй измеритель, основанный на нейронной сети, отвечает за мониторинг текущих значений оксидов азота в реальном времени. Его задача — непрерывно фиксировать фактические показатели и передавать их в систему контроля.
— Значения, полученные от двух нейронных измерителей, сравниваются и анализируются. Если текущее значение оксидов азота, определенное вторым измерителем, отклоняется от эталонного значения первого, то система автоматически корректирует расход топлива. Именно этот показатель в совокупности с температурой в камере сгорания напрямую влияют на выбросы. Разработанный регулятор в автоматическом режиме перераспределяет топливо между коллекторами. Таким образом достигается баланс между экономичностью процесса и соблюдением экологических норм, — рассказывает заведующий кафедрой автоматики и телемеханики, доктор технических наук Александр Южаков.
Использование двух адаптивных нейронных измерителей в системе контроля выбросов оксидов азота представляет собой инновационный и эффективный метод управления вредными выбросами. Это не только способствует улучшению экологической обстановки, но и помогает предприятиям соответствовать требованиям законодательства и стандартам по охране окружающей среды.
— Результаты моделирования уже подтвердили эффективность разработанного нами метода. Благодаря разработке выброс оксидов азота можно уменьшить с 2,14 до 2,06 кг, это примерно 3,74%. Эти цифры значимы для создания современных систем управления процессом горения авиадвигателей нового поколения, — подводит итог ассистент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ Вячеслав Никулин.
Ученые Пермского Политеха представили новый подход к управлению камерой сгорания авиадвигателя. Внедрение дополнительного регулятора позволит снизить выброс оксидов азота более чем на 3%, уменьшить затраты на управление авиадвигателями и оптимизировать их работу с пользой для экологии.