李存

摘要：分析了核心機試車臺加溫加壓進氣試驗時管網(wǎng)內(nèi)部流動的換熱特性，給出了進氣溫度自動調(diào)節(jié)的控制策略，研究得出影響進氣溫度調(diào)節(jié)過程的影響因素，為核心機加溫加壓試驗過程的進氣溫度控制參數(shù)提供技術(shù)參考，縮短試驗準(zhǔn)備時間，提高試驗效率。

Abstract： Heat transfer characteristics in pipes of core engine facility are analyzed and an intake temperature auto control method is introduced. Moreover， effect factors on the intake temperature control are analyzed. This study will benefit the parameters configuration for the intake temperature control system， to reduce test preparation time and improve the test efficient.

關(guān)鍵詞：核心機試車臺;加溫加壓進氣;溫度自動調(diào)節(jié)

Key words： core engine test facility;intake temperature;auto control

中圖分類號：V263.47 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0030-03

0 ?引言

核心機試車臺主要用于模擬核心機在整機狀態(tài)下的進口環(huán)境條件，盡可能地逼近核心機真實工作狀態(tài)。試驗過程中，需模擬核心機對應(yīng)整機狀態(tài)下的不同工況需求，并且在一定流量、壓力、溫度范圍內(nèi)，確保進氣壓力、溫度的控制精度。然而，由于進氣管網(wǎng)在熱氣輸送過程中存在較大的熱損失[1]，在現(xiàn)有試驗中必須花費大量的時間使流入試驗段的氣體溫度達(dá)到試驗要求，這樣就會延長整個試驗的周期，增加試驗成本。本文針對核心機試車臺進氣系統(tǒng)管道進行換熱過程分析，并給出進氣溫度調(diào)節(jié)的控制策略，分析影響進氣溫度調(diào)節(jié)過程的影響因素，為核心機加溫加壓試驗過程的進氣溫度控制參數(shù)提供技術(shù)參考，提高試驗效率。

1 ?核心機試車臺設(shè)備組成與工藝原理

核心機試車臺在開展加溫加壓進氣試驗時，由氣源系統(tǒng)提供具有一定溫度和壓力的壓縮空氣，此壓縮空氣一部分經(jīng)過水冷換熱器冷卻形成冷支路，另一部分不經(jīng)過水冷換熱器冷卻形成熱支路，通過自動調(diào)節(jié)冷、熱支路空氣的摻混比例實現(xiàn)進氣溫度調(diào)節(jié)，調(diào)溫?fù)交旌蟮膲嚎s空氣通過自動調(diào)壓系統(tǒng)實現(xiàn)進氣壓力調(diào)節(jié)，完成調(diào)溫和調(diào)壓后的空氣經(jīng)過整流室后進入核心機，以滿足核心機加溫加壓進氣試驗需求。

典型的核心機試車臺工藝原理如圖1所示。

2 ?建立進氣系統(tǒng)物理模型

對于管道內(nèi)部不存在熱源的普通直管道，控制體內(nèi)氣體與金屬管壁之間的熱流量Q可以利用集總參數(shù)法對管道進行傳熱建模獲得?？紤]一根長為L、壁厚為d、內(nèi)徑為r0的圓管，假設(shè)圓管中的熱傳導(dǎo)方向沿徑向，圓管的熱傳導(dǎo)系數(shù)為k，且無內(nèi)熱源。將圓管沿徑向分成N+1 層薄壁圓管，中間N-1 層壁厚相等為Δr，最內(nèi)層和最外層壁厚相等，且為中間各層壁厚的一半。rj表示第j 層薄壁圓管的內(nèi)表面半徑，其中下標(biāo)j為0，1，2，…，N。進氣管道分層建模結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[2][3]。

對于第0 層薄壁圓管，內(nèi)側(cè)管壁與管內(nèi)的氣流接觸存在對流傳熱，外側(cè)管壁與第1 層薄壁圓管存在熱傳導(dǎo)，則在Δt 時間內(nèi)第0 層薄壁圓管能量守恒方程為：

3 ?進氣溫度自動控制策略

核心機進口溫度的調(diào)節(jié)通過進氣系統(tǒng)上游的溫度控制模塊實現(xiàn)，由于溫度控制模塊一般會離核心機進口存在一定距離，克服溫度熱慣性為實現(xiàn)核心機進口溫度自動控制實現(xiàn)的關(guān)鍵點，此外，還需充分考慮相關(guān)因素對溫度控制過程的影響，比如氣源系統(tǒng)供氣溫度的變化導(dǎo)致熱支路空氣溫度的變化、冷卻水溫度變化導(dǎo)致冷支路空氣的變化、閥門工作特性、管道沿程熱損失等。

考慮核心機加溫加壓試驗進口溫度調(diào)節(jié)的需求，核心機進口溫度控制目標(biāo)為自動化、調(diào)節(jié)時間短、控制精度高。核心機進氣溫度自動控制設(shè)計思路分為四個階段：快速升溫+理論目標(biāo)值控制+熱平衡穩(wěn)定+閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)。

①快速預(yù)熱升溫階段：設(shè)定目標(biāo)值后，熱支路調(diào)節(jié)閥開大以增加熱支路空氣流量，對溫度控制模塊與核心機進口之間的管道及設(shè)備進行快速升溫，充分預(yù)熱。此時閥門持續(xù)開大直至核心機進口溫度達(dá)到目標(biāo)溫度值。

②理論目標(biāo)值控制階段：當(dāng)核心機進口溫度達(dá)到目標(biāo)溫度值后，通過控制程序設(shè)計使得調(diào)溫閥動作與目標(biāo)溫度匹配的理論閥門位置，定位到理想位置。但由于溫度熱慣性原因，快速預(yù)熱升溫階段結(jié)束時，核心機進口溫度會出現(xiàn)短時的超調(diào)情況。其中，目標(biāo)計算閥位為：

?③熱平衡穩(wěn)定階段：當(dāng)調(diào)溫閥動作至與目標(biāo)溫度匹配的理論閥門位置后，穩(wěn)定一段時間，待溫度熱平衡穩(wěn)定，盡可能的消除熱慣性對下一階段閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)的影響。

④閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)階段：調(diào)溫閥基于核心機進口溫度進入閉環(huán)反饋控制，主要采用PI控制。PI參數(shù)為調(diào)試試驗過程中獲得的對應(yīng)不同溫度調(diào)節(jié)工況下的最優(yōu)PI值整定參數(shù)，以實現(xiàn)核心機進口溫度高精度控制。

4 ?進氣溫度控制的影響因素分析

4.1 溫度調(diào)節(jié)閥的工作特性

在整個進氣溫度調(diào)節(jié)過程中，理論目標(biāo)值控制階段的溫度調(diào)節(jié)閥的閥位計算是否準(zhǔn)確直接影響溫度調(diào)節(jié)的時間。這是因為一旦進入反饋調(diào)節(jié)，當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度存在較大偏差時，反饋調(diào)節(jié)時間將會很長。

在溫度調(diào)節(jié)過程中，溫度調(diào)節(jié)閥采用蝶閥，其最佳調(diào)節(jié)區(qū)間為15～85%，假設(shè)熱支路空氣溫度410K，冷支路空氣溫度300K，代入上式，可得當(dāng)目標(biāo)溫度在316～393K時，可獲得最佳的溫度調(diào)節(jié)過程。

4.2 進氣系統(tǒng)的熱慣性

在管道內(nèi)部會存在如導(dǎo)流柵隔、內(nèi)前室、防塵網(wǎng)格等金屬結(jié)構(gòu)部件，這些部件與容腔內(nèi)的空氣直接接觸，會從氣流中吸收或向氣流中釋放一部分能量，導(dǎo)致系統(tǒng)存在明顯的熱慣性，從而給溫度自動控制的實現(xiàn)帶來巨大挑戰(zhàn)。為解決溫度熱慣性與自動化調(diào)節(jié)的矛盾形成進氣溫度自動化調(diào)節(jié)過程設(shè)計思路：快速升溫+理論目標(biāo)值控制+熱平衡穩(wěn)定+閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，實現(xiàn)溫度自動化調(diào)節(jié)，并通過開環(huán)和閉環(huán)控制相結(jié)合的方式提高溫度調(diào)節(jié)效率。

4.3 目標(biāo)溫度對穩(wěn)定時間的影響分析

由于進氣流道內(nèi)的設(shè)備元件儲熱效應(yīng)，進氣溫度的建立和穩(wěn)定過程需要一個過程，而這個過程直接與目標(biāo)溫度相關(guān)，目標(biāo)溫度越高時，首次達(dá)到目標(biāo)溫度和穩(wěn)定調(diào)節(jié)的時間越長，此時，對穩(wěn)態(tài)溫度控制精度要求越高，所需的時間越長。不同工況下升溫過程參數(shù)如表1所示。

不同目標(biāo)溫度和溫差下目標(biāo)溫度的建立過程如圖3所示，可見，目標(biāo)溫度越高，調(diào)節(jié)溫差越大，所需溫度調(diào)節(jié)時間越長。

4.4 ?進氣系統(tǒng)沿程溫?fù)p

核心機試車臺進氣系統(tǒng)的設(shè)備外部均進行了保溫處理，但保溫層的設(shè)置并不能完全消除進氣系統(tǒng)管道和閥門等向外輻射或傳導(dǎo)熱量，造成進氣管網(wǎng)存在一定的溫度，直接影響核心機進口目標(biāo)溫度的控制。經(jīng)調(diào)試驗證，在不同工況進行溫度監(jiān)測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，通過建立數(shù)據(jù)庫的方式，獲得不同工況下對應(yīng)的溫?fù)p情況，在進行進氣系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)時進行人工修正，可大大縮短進氣溫度建立的時間，提高試驗效率。

4.5 其他因素影響

進氣溫度自動調(diào)節(jié)的設(shè)計過程充分考慮相關(guān)因素的影響，包括冷熱兩股氣流溫度、冷卻水溫等，均會對進氣溫度調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生影響。

5 ?進氣溫度控制調(diào)試驗證結(jié)果

為驗證某核心機試車臺的進氣溫度自動調(diào)節(jié)控制邏輯，設(shè)定某一工況點：進氣溫度313K，進氣流量分別調(diào)節(jié)至21.8kg/s和66kg/s。管道預(yù)熱完成后，設(shè)定進氣目標(biāo)溫度為313K，將進氣流量調(diào)節(jié)至21.8kg/s，建立第1個驗收工況點OP1（313K@21.8kg/s），進氣溫度可自動調(diào)節(jié)達(dá)到313±1.57K，歷時3min，穩(wěn)定2min后仍在壓力控制精度范圍內(nèi)。將進氣流量調(diào)節(jié)至66kg/s，建立第2個驗收工況點OP2（313K@66kg/s），進氣溫度自動調(diào)節(jié)正常工作，持續(xù)穩(wěn)定在313K附近，如圖4和圖5所示。

6 ?總結(jié)

本文對進氣系統(tǒng)管道傳熱建模方法進行了介紹，重點分析了進氣溫度控制策略以及對應(yīng)的影響因素，尤其是熱慣性、閥門工作特性以及不同目標(biāo)溫度對進氣溫度調(diào)節(jié)的影響，為核心機加溫加壓試驗過程的進氣溫度控制參數(shù)提供技術(shù)參考，縮短核心機試驗準(zhǔn)備時間，提高試驗效率。

參考文獻：

[1]杜鶴齡.航空發(fā)動機高空模擬[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002：1-31.

[2]朱劍鋆，董葳，吳鋒，等.高空臺加溫試驗進氣管網(wǎng)傳熱過程的計算分析[J].燃?xì)鉁u輪試驗與研究，2011（004）：10-14，24.

[3]陸寶富.高空臺空氣加熱爐試驗與研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗與研究，1995，8（2）：60-62.