В Пермском Политехе разработали систему для снижения вредных выбросов из авиадвигателей

Исследование опубликовано в журнале «Мехатроника, автоматизация, управление». 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 доктор технических наук, заведующий кафедрой автоматики и телемеханики 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 килограмма, это примерно 3,74 процента. 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 три процента, уменьшить затраты на управление авиадвигателями и оптимизировать их работу с пользой для экологии.

ПНИПУ

731 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше