超燃冲压发动机燃油供给与控制课件.ppt
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- 冲压 发动机 燃油 供给 控制 课件
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1、超燃冲压发动机燃油供给与控制超燃冲压发动机燃油供给与控制鲍文鲍文高超声速技术研究中心高超声速技术研究中心目录目录o 超燃冲压发动机控制对象特性分析超燃冲压发动机控制对象特性分析o 超燃冲压发动机控制系统结构超燃冲压发动机控制系统结构o 超燃冲压发动机推力控制方法超燃冲压发动机推力控制方法o 超燃冲压发动机发动机分布参数控制超燃冲压发动机发动机分布参数控制o 超声速进气道不起动判断与控制超声速进气道不起动判断与控制o 超燃冲压发动机超燃冲压发动机/飞行器一体化控制飞行器一体化控制超燃冲压发动机控制对象特性分析超燃冲压发动机控制对象特性分析鲍文鲍文 崔涛崔涛 常军涛常军涛 李献领李献领 曲亮曲亮
2、李伟鹏李伟鹏 双模态超燃冲压发动机燃烧室双模态超燃冲压发动机燃烧室发动机的分布参数特性发动机的分布参数特性超声速进气道超声速进气道来流马赫数对流场的影响来流马赫数对流场的影响24848.534545.558787.9X/mY/m00.20.40.040.080.120.160.20.240.280.320.360.40.440.48Frame 001 10 Sep 2007 fluent6.3.2653939.413636444242.4X/mY/m00.20.40.040.080.120.160.20.240.280.320.360.40.440.48Frame 001 10 Sep 200
3、7 fluent6.3.26M0=4M0=701234561015202530354045攻 角压比(面积加权平均)压 比(面 积 加 权 平 均)ma=4ma=5ma=6ma=701234560.50.60.70.80.911.11.21.3攻 角流量捕获系数流 量 捕 获 系 数 ma=4ma=5ma=6ma=7来流攻角对流场的影响来流攻角对流场的影响21858.641575.816929.3X/mY/m00.20.40.040.080.120.160.20.240.280.320.360.40.440.48Frame 001 10 Sep 2007 fluent6.3.2653939.4
4、78181.839393.9X/mY/m00.20.40.040.080.120.160.20.240.280.320.360.40.440.48Frame 001 10 Sep 2007 fluent6.3.26=-5=501234561015202530354045攻 角压比(面积加权平均)压 比(面 积 加 权 平 均)ma=4ma=5ma=6ma=701234560.50.60.70.80.911.11.21.3攻 角流量捕获系数流 量 捕 获 系 数 ma=4ma=5ma=6ma=7出口背压对流场的影响出口背压对流场的影响5000074050.6182278X/mY/m0.40.50
5、.080.120.160.20.24Frame 001 10 Sep 2007 fluent6.3.265000074050.6182278X/mY/m0.40.50.080.120.160.20.24Frame 001 10 Sep 2007 fluent6.3.265000074050.6350633X/mY/m0.40.50.080.120.160.20.24Frame 001 10 Sep 2007 fluent6.3.26来流马赫数变化引起的进气道不起动来流马赫数变化引起的进气道不起动/再起动特性分析再起动特性分析o 来流马赫数对进气道性能参数的影响来流马赫数对进气道性能参数的影响o
6、 进气道不起动时的流场结构示意图进气道不起动时的流场结构示意图来流马赫数变化引起的进气道不起动来流马赫数变化引起的进气道不起动/再起动特性分析再起动特性分析o进气道不起动进气道不起动/再起动过程中的流动特征再起动过程中的流动特征来流马赫数变化引起的进气道不起动来流马赫数变化引起的进气道不起动/再起动分析再起动分析o 进气道不起进气道不起动动/再起动再起动过程特性分过程特性分析析o 不起动马赫不起动马赫数和再起动数和再起动马赫数马赫数来流攻角变化引起的进气道不起动来流攻角变化引起的进气道不起动/再起动特性分析再起动特性分析o 来流攻角对进气道性能参数的影响来流攻角对进气道性能参数的影响o 进气道
7、不起动时的流场结构示意图进气道不起动时的流场结构示意图来流攻角引起的进气道不起动来流攻角引起的进气道不起动/再起动分析再起动分析Axis location x,mY,m0.350.40.450.10.15Axis location x,mY,m0.350.40.450.10.15Axis location x,mY,m0.350.40.450.10.15Axis location x,mY,m0.350.40.450.10.15a=0a=10a=-4a=-5来流攻角变化引起的进气道不起动来流攻角变化引起的进气道不起动/再起动特性分析再起动特性分析来流攻角变化引起的进气道不起动来流攻角变化引起的
8、进气道不起动/再起动分析再起动分析o 不起动不起动/再起动特性形再起动特性形成的内在物理机制成的内在物理机制n分析结果表明:流动过分析结果表明:流动过程存在程存在“记忆记忆”效应,效应,进气道进口处分离流的进气道进口处分离流的形成和消失过程是形成形成和消失过程是形成不起动不起动/再起动特性的再起动特性的主要原因。主要原因。附面层抽吸对进气道不起动附面层抽吸对进气道不起动/再起动再起动特性的影响特性的影响壁面冷却对进气道不起动壁面冷却对进气道不起动/再起动特性的影响再起动特性的影响超燃冲压发动机燃油供给系统超燃冲压发动机燃油供给系统00.511.5100015002000250030003500
9、4000沿轴向的长度(m)燃烧室上壁面静温(C)三点喷油比10:6:6三点喷油比6:6:10三点喷油比6:10:6超燃冲压发动机燃油供给系统超燃冲压发动机燃油供给系统00.511.5400600800100012001400沿轴向的长度(m)冷侧壁面温度(C)当量比1.01当量比0.825当量比0.71燃油供给系统结构燃油供给系统结构o 燃油供给与控制系统燃油供给与控制系统n多路燃油供给同时要满足推力、热防护冷却的需要多路燃油供给同时要满足推力、热防护冷却的需要o 发动机气热弹耦合效应发动机气热弹耦合效应n发动机内流、壁面、壁面内部的吸热燃料之间的多场耦合发动机内流、壁面、壁面内部的吸热燃料之
10、间的多场耦合00.511.5400600800100012001400沿轴向的长度(m)冷侧壁面温度(C)当量比1.01当量比0.825当量比0.71燃料沸腾过程燃料沸腾过程I I 自然对流区,无气泡;自然对流区,无气泡;II II 泡状沸腾区:泡状沸腾区:IIaIIa 孤立气泡区,泡状流;孤立气泡区,泡状流;IIII 完全沸腾区,块状流;完全沸腾区,块状流;III III 过渡沸腾区;过渡沸腾区;IV IV 膜态沸腾区;膜态沸腾区;C C 泡泡-膜沸腾过渡点;膜沸腾过渡点;D D 膜膜-泡沸腾过渡点;泡沸腾过渡点;完全泡沸腾与过渡沸腾的边界完全泡沸腾与过渡沸腾的边界 点;产生不稳定气膜点;点
11、;产生不稳定气膜点;Tw Tw 表面温度;表面温度;Ts-Ts-饱和温度饱和温度 亚临界饱和沸腾曲线燃料沸腾过程燃料沸腾过程亚临界沸腾时的传热恶化特性燃料压力燃料压力超临界超临界 o 随着压力的增大,过渡沸腾的传热恶化逐渐消退;o 超临界压力以上,彻底消失。燃油物性燃油物性密度密度黏度黏度燃油物性燃油物性比热比热导热系数导热系数高温燃油管道特性高温燃油管道特性超燃冲压发动机控制系统结构超燃冲压发动机控制系统结构鲍文鲍文 崔涛崔涛 赵天爽赵天爽 赵晓敏赵晓敏 肖虹肖虹 车聪斌车聪斌 于达仁于达仁超燃冲压发动机控制系统的总体技术超燃冲压发动机控制系统的总体技术n超燃冲压发动机包括主推力控制回路,包
12、括燃烧模态控制、超燃冲压发动机包括主推力控制回路,包括燃烧模态控制、进气道保护控制、超温保护控制及各控制回路的切换控制,进气道保护控制、超温保护控制及各控制回路的切换控制,在燃油控制系统中还包括多路燃油流量控制。在燃油控制系统中还包括多路燃油流量控制。超燃冲压发动机控制系统的总体框架超燃冲压发动机控制系统总体超燃冲压发动机控制系统总体需要解决的关键技术:需要解决的关键技术:q 超燃冲压发动机推力控制的控制规律、控制方法超燃冲压发动机推力控制的控制规律、控制方法q 超燃冲压发动机推力测量的测点约减方法超燃冲压发动机推力测量的测点约减方法q 超燃冲压发动机进气道的起动判断和控制超燃冲压发动机进气道
13、的起动判断和控制q 燃油供给系统热防护一体化设计燃油供给系统热防护一体化设计q 高温两相流燃油调节阀的研制高温两相流燃油调节阀的研制超燃冲压发动机控制系统总体超燃冲压发动机控制系统总体o 超然冲压发动机推力控制研究包超然冲压发动机推力控制研究包括推力调节规律设计和控制方法括推力调节规律设计和控制方法两方面的内容。两方面的内容。o 在加速、巡航过程中,要求冲压在加速、巡航过程中,要求冲压发动机相应的改变推力以满足飞发动机相应的改变推力以满足飞行器的需要,这就是冲压发动机行器的需要,这就是冲压发动机推力调节规律要研究的内容。推推力调节规律要研究的内容。推力调节规律的设计包括起动、加力调节规律的设计
14、包括起动、加速和巡航调节规律。调节规律设速和巡航调节规律。调节规律设计的依据一方面是飞行器和发动计的依据一方面是飞行器和发动机的性能要求,另一方法是要考机的性能要求,另一方法是要考虑各种稳定边界。虑各种稳定边界。n 在超燃冲压发动机燃油供给在超燃冲压发动机燃油供给总体技术方面,论证了超燃冲总体技术方面,论证了超燃冲压发动机燃油供给系统的总体压发动机燃油供给系统的总体方案和关键技术。方案和关键技术。燃油密度特性涡轮流量计节流式流量燃油质油质量流量预燃喷嘴壁龛喷嘴电液伺服阀压电陶瓷数字阀阀调节阀先导导直动动稳压阀推进进流冷却流量推进进流冷却流量独立冷却系统冷却系统液体固体气体工作介质油箱设箱挤压式
15、冲压压空高压压气油箱压容积积涡轮泵油泵转速调节功率设率泵数字电涡轮转速调节高速高温涡速高温取气、排气方式空气涡泵压式源高压给系统 燃油供PWM动轮油l高压油源系统n外部取气:在前体的第一个楔面上取气n可调导叶:改变涡轮速度,调节燃油流量n空气涡轮:Ma1.5左右的单级空气涡轮n油箱:冲压增压式n油泵:离心燃油泵l冷却系统:多管并联流动l稳压阀:直动式溢流阀l燃油流量调节阀:三组PWM燃油调节阀l喷嘴:壁龛超燃冲压发动机推力控制方法超燃冲压发动机推力控制方法鲍文鲍文 赵晓敏赵晓敏 和舒和舒 郭林春郭林春 徐志强徐志强 唐井峰唐井峰研究思路研究思路-燃烧模态控制配油思路燃烧模态控制配油思路喷嘴组调
16、节的工作简图喷嘴组调节的工作简图以及阀门开启规律以及阀门开启规律、喷嘴喷嘴组阀门组阀门研究思路研究思路-地面试验研究思路地面试验研究思路o 在地面试验中对不同的在地面试验中对不同的燃油总量燃油总量Q,通过调整,通过调整各个喷油点的喷油量找各个喷油点的喷油量找到与到与Q对应的最大推力对应的最大推力F,推力最大时的参数,推力最大时的参数分布就是我们要求的模分布就是我们要求的模态设计,这时各喷油点态设计,这时各喷油点的喷油量也就是最优配的喷油量也就是最优配油规律。油规律。超燃冲压发动机最大推力稳态优化控制算法超燃冲压发动机最大推力稳态优化控制算法 o 仿真结果分析仿真结果分析o控制周期的影响控制周期
17、的影响控制周期0.02 误差(4.84%)控制周期0.06 误差(0.8%)仿真结果分析仿真结果分析马赫数6,总当量比0.5推力随迭代步的变化壁面压力分布比较 等压力线分布等马赫数线分布o 一种超燃冲压发动机燃烧室设计一种超燃冲压发动机燃烧室设计推力测量的燃烧室传感器数约简方法研究推力测量的燃烧室传感器数约简方法研究约简算法约简算法-问题的提出问题的提出o 超燃冲压发动机燃烧室测量壁面压力信号的超燃冲压发动机燃烧室测量壁面压力信号的传感器数目,在地面试验中可以安置很多个,传感器数目,在地面试验中可以安置很多个,而在飞行试验或实际应用中不可能有那么多,而在飞行试验或实际应用中不可能有那么多,因此
18、需要对其数目进行约简因此需要对其数目进行约简o 研究目的就是寻求合适的约简算法,在保证研究目的就是寻求合适的约简算法,在保证推力估算精度的前提下将超燃冲压发动机燃推力估算精度的前提下将超燃冲压发动机燃烧室表面的传感器测点约简到一个可以接受烧室表面的传感器测点约简到一个可以接受的范围内的范围内计算原理分析计算原理分析o 推力的估算问题推力的估算问题n 超燃冲压发动机控制的核心也就是推力控制,超燃冲压发动机控制的核心也就是推力控制,当飞行器处于水平巡航状态时,净推力与整个当飞行器处于水平巡航状态时,净推力与整个飞行器的外部阻力完全相抵;当发动机处于加飞行器的外部阻力完全相抵;当发动机处于加速状态时
19、,净推力应大于整个外部阻力。速状态时,净推力应大于整个外部阻力。n 而在地面模拟试验中或飞行器处于飞行状态时,而在地面模拟试验中或飞行器处于飞行状态时,发动机的推力难以直接测量,因此,在推力的发动机的推力难以直接测量,因此,在推力的控制中,需要寻求利用其他的可测量量来估算控制中,需要寻求利用其他的可测量量来估算发动机的推力,利用燃烧室的壁面压力来估算发动机的推力,利用燃烧室的壁面压力来估算推力就是一种方式推力就是一种方式 计算原理分析计算原理分析o 利用梯形积分进行推力估算利用梯形积分进行推力估算0.60.811.21.41.61.822.2050100150200250300燃烧室截面积变化
20、曲线及一条压燃模态压力曲线X-测点位置(20个测点)Y-压力及截面积一条压力曲线一条压力曲线一条压力曲线一条压力曲线燃烧室测点位置及截面积变化工程问题向数学优化问题的转化工程问题向数学优化问题的转化o 实际问题描述实际问题描述n 在燃烧室内上壁面静压测点有在燃烧室内上壁面静压测点有22个,由这个,由这22个测量数据可以较为准确的描绘去实际的压力个测量数据可以较为准确的描绘去实际的压力变化曲线,能较准确的估算出发动机的推力变化曲线,能较准确的估算出发动机的推力n 需要在这需要在这22个测点中选择最少的测点,用选出个测点中选择最少的测点,用选出的若干个测点的测量数据拟合出一条压力曲线,的若干个测点
21、的测量数据拟合出一条压力曲线,能较准确地反映出推力的变化能较准确地反映出推力的变化工程问题向数学优化问题的转化工程问题向数学优化问题的转化o 完全的数学描述完全的数学描述B:一个向量集合(测点坐标,压力,对应横截面:一个向量集合(测点坐标,压力,对应横截面积)积)A:B的一个真子集的一个真子集 mmi in ns s.t t.,1,1kniifAg BABACBAx yikBx yin 约简算法的计算过程约简算法的计算过程o 数据预处理数据预处理n 所有数据所有数据732组压力值组压力值蓝色:亚燃模态压力曲线黑色:超然模态压力曲线 其他:冷态压力曲线n 时间轴上的展开约简算法的计算过程约简算法
22、的计算过程o 热态数据提取(热态数据提取(732189),热态数据),热态数据包括亚燃模态和超燃模态包括亚燃模态和超燃模态0.511.52050100150200250300X-测 点 坐 标(20个)Y-测点压力数据预处理后选择的189组热态压力曲线(部分)约简算法的计算过程约简算法的计算过程o 热态数据的三维视图热态数据的三维视图计算结果计算结果o 约简到约简到4个测点个测点-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.101020304050607080对约简结果的误差统计(样本总数189个)X-推力误差相对值大小(正误差表示拟合值偏大)Y-误差所对应的样本数目0.511.
23、522.5050100150200250300测点数目约简到4个后的线性拟合(4个样本)X-测点坐标(20个测点)Y-测点压力计算结果计算结果o 约简到约简到5个测点个测点0.511.522.5050100150200250300测点数目约简到5个后的线性拟合(4个样本)X-测点坐标(20个测点)Y-测点压力-0.06-0.04-0.0200.020.040.060.08010203040506070对约简结果的误差统计(样本总数189个)X-推力误差相对值大小(正误差表示拟合值偏大)Y-误差所对应的样本数目计算结果计算结果o 约简到约简到6个测点个测点0.511.522.5050100150
24、200250300测点数目约简到6个后的线性拟合(4个样本)X-测点坐标(20个测点)Y-测点压力-0.0500.050.10.1501020304050607080对约简结果的误差统计(样本总数189个)X-推力误差相对值大小(正误差表示拟合值偏大)Y-误差所对应的样本数目计算结果计算结果o 约简到约简到7个测点个测点0.511.522.5050100150200250300测点数目约简到7个后的线性拟合(4个样本)X-测点坐标(20个测点)Y-测点压力-0.08-0.06-0.04-0.0200.020.040.060102030405060对约简结果的误差统计(样本总数189个)X-推力
25、误差相对值大小(正误差表示拟合值偏大)Y-误差所对应的样本数目计算结果计算结果o 约简到约简到8个测点个测点0.511.522.5050100150200250300测点数目约简到8个后的线性拟合(4个样本)X-测点坐标(20个测点)Y-测点压力-0.04-0.0200.020.040.060.080.10102030405060对约简结果的误差统计(样本总数189个)X-推力误差相对值大小(正误差表示拟合值偏大)Y-误差所对应的样本数目计算结果分析计算结果分析45678-0.0500.050.10.150.20.250.30.35X-约简后的传感器数目Y-误差统计(相对误差)将传感器数目约简
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