一种空天组合动力射流预冷两相流控制方法与流程

1.本技术属于航空发动机变量控制领域，特别涉及一种空天组合动力射流预冷两相流控制方法。


背景技术：

2.近年来，国内外在涡轮发动机射流预冷扩包线方面开展了大量研究，即在进气道加装喷水预冷装置，向进气道中喷入雾化的液态水，通过水蒸发吸热，降低发动机进口总温。航空发动机控制计划依据发动机进口总温进行换算修正，射流预冷控制系统将发动机进口总温作为反馈调节参数调节冷却水量。因喷入进气道的液态水不完全蒸发和汽化，进气道中工作介质由空气变为空气和水蒸气的混合气，甚至有部分未蒸发的液态水滴颗粒，两相流流场复杂，质量流量控制精度不高。
3.目前航空发动机射流预冷通过两种方法实现水汽两相流，一种是由水流量计量活门组件、压差活门组件、控制阀、lvdt组成，见图1。但该方法形成的两相流流场复杂，水的密度变化明显，利用阀门开度作为反馈信号很难直接与质量流量建立关系，特别是动态关系，这种体积流量控制方法，在质量流量控制上适应性不足。另外，溶解在水中的部分杂质无法通过水滤去除，会使得压差活门等复杂液压元件的可靠性有所降低。另一种方法是由水流量执行活门、控制阀、流量传感器组成，但是该方法形成的两相流流量测量精度极低，而且流量传感器惯性响应很慢，动态控制品质较差，见图2。
4.因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供了一种空天组合动力射流预冷两相流控制方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
6.本技术的技术方案是：
7.一种空天组合动力射流预冷两相流控制方法，包括：
8.步骤一、进行离线特性标定，得到喷嘴和两相流管路前、后的压差δp与体积流量w
wv
的标定关系，以及水和水蒸汽的热力学物性参数关系；
9.步骤二、设定外环发动机进口温度为闭环控制的控制目标t2_dem，发动机进口温度传感器实时采集到并反馈给电子控制器的温度为t2，由目标值与传感器反馈值做差得到控制偏差e，并根据pid算法得到内环控制目标ww_dem；
10.步骤三、根据喷嘴和两相流管路前、后的压力p
in
和p
out
作为输入，根据喷嘴和两相流管路前、后的压差δp与体积流量w
wv
的标定关系，实时计算出体积流量w
wv
；
11.步骤四、电子控制器利用喷嘴和两相流管路前温度t
in
和压力p
in
作为输入，判断水和水蒸气的状态，并根据水和水蒸汽的热力学物性参数关系，计算两相流密度ρ(t,p)；
12.步骤五、通过体积流量和两相流密度的乘积计算得到质量流量ww：
13.ww＝w
wv
·
ρ(t,p)
14.步骤六、根据内环控制目标ww_dem以及质量流量ww计算出控制偏差e，并根据pid算法得到控制阀的输入量pwm；
15.步骤七、执行活门按照pwm信号作动，控制计量活门开度，实时调节两相流状态水流量。
16.在本技术的至少一个实施例中，步骤一中，所述进行离线特性标定，得到喷嘴和两相流管路前、后的压差δp与体积流量w
wv
的标定关系包括：
17.通过地面试验将喷嘴和两相流管路前、后的压差δp与体积流量w
wv
建立标定关系，并写入电子控制器，得到公式：
18.w
wv
＝f(δp)。
19.在本技术的至少一个实施例中，步骤一中，所述进行离线特性标定，得到水和水蒸汽的热力学物性参数关系包括：
20.根据喷嘴和两相流管路前温度t
in
和压力p
in
，建立水和水蒸汽的热力学物性参数关系，其中，
21.液相区密度计算公式为：
22.ρ
l
＝g
l
(t
in
,p
in
)
23.气相区密度计算公式为：
24.ρg＝gg(t
in
,p
in
)。
25.在本技术的至少一个实施例中，步骤二中，所述根据pid算法得到内环控制目标ww_dem为：
[0026][0027]
其中，k
p_out
为外环比例系数，t
i_out
为外环积分常数，t
d_out
为外环微分常数。
[0028]
在本技术的至少一个实施例中，步骤六中，所述根据pid算法得到控制阀的输入量pwm为：
[0029][0030]
其中，k
p_in
为内环比例系数，t
i_in
为内环积分常数，t
d_in
为内环微分常数。
[0031]
发明至少存在以下有益技术效果：
[0032]
本技术的空天组合动力射流预冷两相流控制方法，利用喷嘴进、出口的压力传感器计算出压差作为反馈，实现体积流量反馈；再利用喷嘴进口温度和压力传感器的采集值，结合两相流温度-压力-密度关系，计算出两相流密度；最终实现质量流量的精确控制；喷嘴进、出口压力和喷嘴进口温度既可以很好反馈水系统运行状态，且易于测量，惯性较小，而且压力传感器利用率高，结构简单，可靠性高。
附图说明
[0033]
图1是现有技术中一种射流预冷两相流质量流量控制方法流程图；
[0034]
图2是现有技术中另一种射流预冷两相流质量流量控制方法流程图；
[0035]
图3是本技术一个实施方式的射流预冷两相流质量流量控制方法流程图；
[0036]
图4是本技术一个实施方式的水和蒸汽实际参数控制模型示意图。
具体实施方式
[0037]
为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本技术的实施例进行详细说明。
[0038]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
[0039]
下面结合附图3至图4对本技术做进一步详细说明。
[0040]
本技术提供了一种空天组合动力射流预冷两相流控制方法，包括离线特性标定过程以及在线实时控制过程。
[0041]
具体的，离线标定过程包括：
[0042]
步骤一、进行离线特性标定，得到喷嘴和两相流管路前、后的压差δp与体积流量w
wv
的标定关系，以及水和水蒸汽的热力学物性参数关系；具体为：
[0043]
通过地面试验将喷嘴和两相流管路前、后的压差δp与体积流量w
wv
建立标定关系，并写入电子控制器，得到公式(1)：
[0044]wwv
＝f(δp)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0045]
喷嘴和两相流管路前、后的压差δp为喷嘴和两相流管路前、后的压力p
in
和p
out
的差值，δp＝p
in-p
out
；
[0046]
如图4所示，一条饱和蒸汽线将整个区域分为两个部分，即饱和蒸汽线的左侧区域表示液态水，右侧代表水蒸汽。
[0047]
根据喷嘴和两相流管路前温度t
in
和压力p
in
，建立水和水蒸汽的热力学物性参数关系，其中，液相区密度计算公式(2)以及气相区密度计算公式(3)分别为：
[0048]
ρ
l
＝g
l
(t
in
,p
in
)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0049]
ρg＝gg(t
in
,p
in
)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0050]
在线实时控制过程包括：
[0051]
步骤二、设定外环发动机进口温度为闭环控制的控制目标t2_dem，发动机进口温度传感器实时采集到并反馈给电子控制器的温度为t2，由目标值与传感器反馈值做差得到控制偏差e，并根据公式(4)的pid算法得到内环控制目标ww_dem：
[0052]
[0053]
其中，k
p_out
为外环比例系数，t
i_out
为外环积分常数，t
d_out
为外环微分常数；
[0054]
步骤三、根据喷嘴和两相流管路前、后的压力p
in
和p
out
作为输入，利用公式(1)实时计算出体积流量w
wv
；
[0055]
步骤四、电子控制器利用喷嘴和两相流管路前温度t
in
和压力p
in
作为输入，判断水和水蒸气的状态，并调用公式(2)或(3)计算两相流密度ρ(t,p)；
[0056]
步骤五、通过体积流量和两相流密度的乘积计算得到质量流量ww：
[0057]ww
＝w
wv
·
ρ(t,p)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0058]
步骤六、根据内环控制目标ww_dem以及质量流量ww计算出控制偏差e，并根据公式(6)的pid算法得到控制阀的输入量pwm：
[0059][0060]
其中，k
p_in
为内环比例系数，t
i_in
为内环积分常数，t
d_in
为内环微分常数；
[0061]
步骤七、执行活门按照pwm信号作动，控制计量活门开度，实时调节两相流状态水流量，进而影响发动机进口温度t2。
[0062]
本技术的空天组合动力射流预冷两相流控制方法，利用喷嘴进、出口压力和温度作为反馈，实现两相流精确控制，喷嘴进、出口压力和喷嘴进口温度既可以很好反馈水系统运行状态，且易于测量，惯性较小，而且压力传感器利用率高，结构简单，可靠性高。而且由于取消了压差活门等传统液压机构，使得水系统的可靠性显著提升。
[0063]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种空天组合动力射流预冷两相流控制方法，其特征在于，包括：步骤一、进行离线特性标定，得到喷嘴和两相流管路前、后的压差δp与体积流量w
wv
的标定关系，以及水和水蒸汽的热力学物性参数关系；步骤二、设定外环发动机进口温度为闭环控制的控制目标t2_dem，发动机进口温度传感器实时采集到并反馈给电子控制器的温度为t2，由目标值与传感器反馈值做差得到控制偏差e，并根据pid算法得到内环控制目标ww_dem；步骤三、根据喷嘴和两相流管路前、后的压力p
in
和p
out
作为输入，根据喷嘴和两相流管路前、后的压差δp与体积流量w
wv
的标定关系，实时计算出体积流量w
wv
；步骤四、电子控制器利用喷嘴和两相流管路前温度t
in
和压力p
in
作为输入，判断水和水蒸气的状态，并根据水和水蒸汽的热力学物性参数关系，计算两相流密度ρ(t,p)；步骤五、通过体积流量和两相流密度的乘积计算得到质量流量w
w
：w
w
＝w
wv
·
ρ(t,p)步骤六、根据内环控制目标ww_dem以及质量流量w
w
计算出控制偏差e，并根据pid算法得到控制阀的输入量pwm；步骤七、执行活门按照pwm信号作动，控制计量活门开度，实时调节两相流状态水流量。2.根据权利要求1所述的空天组合动力射流预冷两相流控制方法，其特征在于，步骤一中，所述进行离线特性标定，得到喷嘴和两相流管路前、后的压差δp与体积流量w
wv
的标定关系包括：通过地面试验将喷嘴和两相流管路前、后的压差δp与体积流量w
wv
建立标定关系，并写入电子控制器，得到公式：w
wv
＝f(δp)。3.根据权利要求2所述的空天组合动力射流预冷两相流控制方法，其特征在于，步骤一中，所述进行离线特性标定，得到水和水蒸汽的热力学物性参数关系包括：根据喷嘴和两相流管路前温度t
in
和压力p
in
，建立水和水蒸汽的热力学物性参数关系，其中，液相区密度计算公式为：ρ
l
＝g
l
(t
in
,p
in
)气相区密度计算公式为：ρ
g
＝g
g
(t
in
,p
in
)。4.根据权利要求3所述的空天组合动力射流预冷两相流控制方法，其特征在于，步骤二中，所述根据pid算法得到内环控制目标ww_dem为：其中，k
p_out
为外环比例系数，t
i_out
为外环积分常数，t
d_out
为外环微分常数。5.根据权利要求4所述的空天组合动力射流预冷两相流控制方法，其特征在于，步骤六中，所述根据pid算法得到控制阀的输入量pwm为：
其中，k
p_in
为内环比例系数，t
i_in
为内环积分常数，t
d_in
为内环微分常数。

技术总结
本申请属于航空发动机变量控制领域，特别涉及一种空天组合动力射流预冷两相流控制方法。本申请的空天组合动力射流预冷两相流控制方法，利用喷嘴进、出口的压力传感器计算出压差作为反馈，实现体积流量反馈；再利用喷嘴进口温度和压力传感器的采集值，结合两相流温度-压力-密度关系，计算出两相流密度；最终实现质量流量的精确控制；喷嘴进、出口压力和喷嘴进口温度既可以很好反馈水系统运行状态，且易于测量，惯性较小，而且压力传感器利用率高，结构简单，可靠性高。可靠性高。可靠性高。


技术研发人员：李文涛 童岩鹏 左伟 王日平 静雨蔚 刘易斯 栾东 刘凯
受保护的技术使用者：中国航发沈阳发动机研究所
技术研发日：2022.12.31
技术公布日：2023/5/25