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通過壓力表監(jiān)控壓力實現(xiàn)自制渦噴發(fā)動機(jī)自持的技術(shù)研究

時間:2025/6/19閱讀:206
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渦噴發(fā)動機(jī)作為航空動力系統(tǒng)的核心,其自持運(yùn)行能力對于模型飛機(jī)、無人機(jī)及實驗平臺至關(guān)重要。然而,自制渦噴發(fā)動機(jī)因加工精度低、材料性能受限,常面臨喘振、燃燒不穩(wěn)定等問題。傳統(tǒng)解決方案依賴人工經(jīng)驗調(diào)整,難以實現(xiàn)實時控制。本文提出一種基于壓力表監(jiān)控的壓力控制系統(tǒng),通過實時監(jiān)測關(guān)鍵壓力參數(shù),動態(tài)調(diào)整發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài),實現(xiàn)自持運(yùn)行。

本文針對互聯(lián)網(wǎng)自制渦噴發(fā)動機(jī)難以自持運(yùn)行,提出了一種基于壓力表監(jiān)控的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過實時監(jiān)測資質(zhì)渦噴發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部位的壓力參數(shù)(如壓氣機(jī)出口壓力、燃燒室壓力等),結(jié)合控制算法,以實現(xiàn)發(fā)動機(jī)在不穩(wěn)定工況下自持運(yùn)行。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)可有效預(yù)防喘振,降低人工干預(yù)需求,為自制低成本渦噴發(fā)動機(jī)的自主運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

一、系統(tǒng)設(shè)計

  2.1 壓力監(jiān)控節(jié)點(diǎn)選擇

  自制渦噴發(fā)動機(jī)的壓力監(jiān)控需覆蓋以下關(guān)鍵節(jié)點(diǎn):

  壓氣機(jī)出口壓力:反映壓縮效率,過高易導(dǎo)致喘振,過低則影響燃燒室進(jìn)氣量。

  燃燒室壓力:與燃油噴射量、燃燒穩(wěn)定性直接相關(guān),需實時監(jiān)測以避免熄火或爆震。

  渦輪出口壓力:用于計算排氣速度,間接反映推力輸出。

  尾噴管壓力:監(jiān)測排氣背壓,優(yōu)化尾噴管設(shè)計以提高推力效率。

根據(jù)監(jiān)控需求,選用以下壓力表:

  高精度壓阻式壓力傳感器:量程0-5MPa,5-10MPa,精度±0.5%FS,用于壓氣機(jī)出口與燃燒室壓力監(jiān)測。

  耐高溫電容式壓力傳感器:量程0-2MPa,精度±1%FS,采用陶瓷基復(fù)合材料封裝,用于渦輪出口與尾噴管壓力監(jiān)測。

  布局原則:在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布置壓力表或精巧型壓力變送器,通過數(shù)據(jù)融合變送器數(shù)據(jù)控制進(jìn)氣壓力,渦輪轉(zhuǎn)速提高穩(wěn)定性可靠性;傳感器安裝位置需避開高溫爆震燃燒區(qū),采用冷卻通道或隔熱材料保護(hù)。

  2.3 信號傳輸與處理

  傳感器信號通過模擬開關(guān)切換至信號測量電路,經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸至微控制器(MCU)。MCU運(yùn)行以下算法:

  自檢算法:定期對傳感器進(jìn)行故障診斷,對比預(yù)設(shè)信號與實測信號,若偏差超過閾值則觸發(fā)報警。

  動態(tài)濾波算法:采用卡爾曼濾波消除振動噪聲,提高信號穩(wěn)定性。

  壓力比計算:通過壓氣機(jī)出口壓力與進(jìn)氣壓力之比(PR),估算發(fā)動機(jī)壓縮效率。

二、自持控制策略

  3.1 推力閉環(huán)控制

  基于壓力比(PR)與主軸轉(zhuǎn)速反饋,動態(tài)調(diào)整燃油噴射量:

  PR上升:表明壓縮效率提高,適當(dāng)增加燃油噴射量以提升推力。

  PR下降:表明壓縮效率降低,減少燃油噴射量以避免喘振。

  轉(zhuǎn)速補(bǔ)償:當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速偏離目標(biāo)值時,調(diào)整燃油噴射量以維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

  3.2 喘振預(yù)防與控制

  當(dāng)壓氣機(jī)出口壓力波動超過閾值時,系統(tǒng)執(zhí)行以下操作:

  放氣活門調(diào)節(jié):打開放氣活門,降低壓氣機(jī)負(fù)荷,防止喘振發(fā)生。

  導(dǎo)流葉片角度調(diào)整:改變導(dǎo)流葉片角度,優(yōu)化氣流方向,提高壓縮效率。

  燃油限流:在特殊工況下,限制燃油噴射量以避免發(fā)動機(jī)損壞。

  3.3 故障隔離與容錯

  當(dāng)某傳感器失效時,系統(tǒng)執(zhí)行以下操作:

  冗余切換:自動切換至冗余傳感器,維持壓力監(jiān)控。

  模型預(yù)測:基于歷史數(shù)據(jù)與發(fā)動機(jī)模型,預(yù)測剩余傳感器數(shù)據(jù),維持控制邏輯。

  安全停機(jī):當(dāng)多傳感器失效或關(guān)鍵參數(shù)超出安全范圍時,觸發(fā)安全停機(jī)程序。

三、實驗驗證與結(jié)果分析

  4.1 實驗平臺

  搭建自制渦噴發(fā)動機(jī)實驗臺,包括:

  發(fā)動機(jī)本體:軸流式渦噴發(fā)動機(jī),推力范圍10-50N。

  壓力監(jiān)控系統(tǒng):高精度壓阻式與耐高溫電容式壓力傳感器,數(shù)據(jù)采集卡,MCU控制器。

  執(zhí)行機(jī)構(gòu):電動放氣活門,伺服導(dǎo)流葉片,燃油電磁閥。

  4.2 實驗結(jié)果

  推力閉環(huán)控制:在地面臺架上,系統(tǒng)成功將推力波動范圍從±15%降低至±5%,提高了推力穩(wěn)定性。

  喘振預(yù)防:在加速工況下,系統(tǒng)提前0.3秒檢測到壓氣機(jī)出口壓力波動,觸發(fā)放氣活門調(diào)節(jié),避免了喘振發(fā)生。

  故障隔離:當(dāng)某壓氣機(jī)出口壓力傳感器失效時,系統(tǒng)自動切換至冗余傳感器,并依據(jù)模型預(yù)測數(shù)據(jù)維持控制邏輯,實驗持續(xù)運(yùn)行10分鐘未發(fā)生停機(jī)。

  4.3 結(jié)果分析

  實驗結(jié)果表明,基于壓力表監(jiān)控的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)可有效提高自制渦噴發(fā)動機(jī)的自持運(yùn)行能力。具體體現(xiàn)在:

  推力穩(wěn)定性提升:通過實時調(diào)整燃油噴射量,降低了推力波動范圍。

  喘振預(yù)防能力增強(qiáng):通過動態(tài)調(diào)節(jié)放氣活門與導(dǎo)流葉片,避免了喘振發(fā)生。

  故障容錯能力提高:通過冗余傳感器與模型預(yù)測,提高了系統(tǒng)的可靠性。

四、結(jié)論與展望

  本文提出了一種基于壓力表及精巧型壓力變送器監(jiān)控的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng),以實現(xiàn)自制渦噴發(fā)動機(jī)的自持運(yùn)行。通過上述技術(shù)路徑,自制渦噴發(fā)動機(jī)的自持成功率將顯著提升,為低成本娛樂用航空動力系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

 


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