CN116820153A - 单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制系统和方法 - Google Patents

单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制系统和方法 Download PDF

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单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制系统和方法，属于航空航天内流管路系统的技术领域。其包括单进双出流路的出气侧分为第一流路和第二流路，第一流路和第二流路上分别安装有第一流路面积调节阀和第二流路面积调节阀，还有第一流路流量喷嘴和第二流路流量喷嘴，第一流路流量喷嘴和第二流路流量喷嘴分别连接有第一流路流量传感器和第二流路流量传感器，进气口马赫数传感器、第一流路流量传感器和第二流路流量传感器均与数据采集器电性连接，数据采集器与运算模块电性连接，同时运算模块控制阀门控制器。可预知目标工况所对应的阀门开度，解决只能短时运行的试验装置对工况的高效精准控制问题。

Description

单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制系统和方法
技术领域
本发明涉及单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制系统和方法，属于航空航天内流管路系统的技术领域。
背景技术
飞行器或航空发动机中存在不少单进口双出口的内流管路系统，在试验测试时需要准确模拟进气马赫数和两个出口的流量比即涵道比工况条件。由于每一路出口的流量变化，既会影响进气口马赫数Ma，也会影响到两路的涵道比B，这为实际的单进口双出口管路系统的进气口马赫数Ma和涵道比B工况控制带来极大的困难，特别是在气源系统不足，可用控制时间较短的试验装置中，更难得到所需的工况状态，难以满足单进口双出口的内流管路系统试验测试需求。
因此，亟需提出一种单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制系统和方法，以解决上述技术问题。
发明内容
针对上述需求和当前存在的问题，本发明提出的单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制系统和方法，用于飞行器或航空发动机中单进口双出口内流管路系统的进气马赫数和出口涵道比的高效精确模拟控制，在单进双出流路的每个出口均设置流量调节和测量的装置，可实现每一路出口的流量的独立调节和测量，根据理论计算，建立一种阀门开度的数学模型，对阀门的开度进行预设及实测微调，可实现进气马赫数和涵道比的高效及精确控制，解决只能短时运行的试验装置对工况的高效精准控制问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
方案一、单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制系统，包括单进双出流路、第一流路面积调节阀、第一流路流量喷嘴、第二流路面积调节阀、第二流路流量喷嘴、进气口马赫数传感器、第一流路流量传感器、第二流路流量传感器、数据采集器、阀门控制器和运算模块，单进双出流路的进气口安装有进气口马赫数传感器，单进双出流路的出气侧分为第一流路和第二流路，第一流路和第二流路上分别安装有第一流路面积调节阀和第二流路面积调节阀，第一流路和第二流路的出气口出分别安装有第一流路流量喷嘴和第二流路流量喷嘴，第一流路流量喷嘴和第二流路流量喷嘴分别连接有第一流路流量传感器和第二流路流量传感器，所述进气口马赫数传感器、第一流路流量传感器和第二流路流量传感器均与数据采集器电性连接，阀门控制器控制第一流路面积调节阀和第二流路面积调节阀，数据采集器与运算模块电性连接，同时运算模块控制阀门控制器。
方案二、方案一所述的单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1，设定目标工况：设定目标进气马赫数Ma和目标涵道比B；
S2，预设阀门开度：根据目标进气马赫数Ma和目标涵道比B的工况要求，计算得到的第一流路和第二流路中，第一流路面积调节阀的开度K1和第二流路面积调节阀的开度K2，进而预设第一流路面积调节阀和第二流路面积调节阀的阀门开度；
S3，获取实测数据：单进双出流路运行之后，通过进气口马赫数传感器、第一流路流量传感器、第二流路流量传感器和数据采集器测量出实际进气马赫数Man、第一流路的实际质量流量和第二流路的实际质量流量/>，根据第一流路的实际质量流量/>和第二流路的实际质量流量/>，获得实际涵道比Bn；
S4，判断实际数据与目标工况的偏差，获得偏差量：判断实际进气马赫数Man和实际涵道比Bn与目标进气马赫数Ma和目标涵道比B的偏差，获得偏差量；
S5，控制调节，通过控制阀门控制器调节第一流路面积调节阀的开度K1和第二流路面积调节阀的开度K2，对实际进气马赫数Man和实际涵道比Bn进行微调，降低偏差量至零，达到实测数据和目标工况一致。
优选的：所述S2中计算得到的第一流路和第二流路中，第一流路面积调节阀的开度K1和第二流路面积调节阀的开度K2的计算方法包括：
第一流路的目标质量流量和第二流路的目标质量流量/>分别为：
公式（a）
公式（b）
其中，P0为进口进气总压，T0为进口进气总温，A1为第一流路流量喷嘴的喉部面积，A2为第二流路流量喷嘴的喉部面积，CK1为第一流路包含进气压力损失的流量系数，CK2为第二流路包含进气压力损失的流量系数，为以K1为因变量的函数关系，/>为以K2为因变量的函数关系；
由此得到CK1~ K1、CK1~ K1的关系曲线，还有K1~CK1、K2~CK2关系曲线；
经过单进双出流路的进气口的总流量等于第一流路的目标质量流量/>和第二流路的目标质量流量/>之和，即为：
公式（c）
其中，C为临界流函数，即常量；
第一流路的目标质量流量和第二流路的目标质量流量/>之比为目标涵道比B，即：
公式（d）
由公式（a）至公式（d）可计算出：
公式（e）
公式（f）
其中，A0为进气口流路面积，q(Ma)为进气马赫数Ma时的密流函数；通过上述得到的K1~CK1和K2~CK2的关系曲线，或者CK1~ K1、CK1~ K1的关系曲线，求得第一流路面积调节阀的开度K1和第二流路面积调节阀的开度K2。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明在每一个出气管路中设置独立的流量调节和测量装置，可实现每一路出口的流量的独立控制和测量，进而实现涵道比的灵活调节；
2.本发明可根据理论计算，对第一流路面积调节阀和第二流路面积调节阀进行预设及实测微调，极大地提高了控制效率和参数精度。
附图说明
图1是单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制系统示意图；
图中：1-单进双出流路，2-第一流路面积调节阀，3-第一流路流量喷嘴，4-第二流路面积调节阀，5-第二流路流量喷嘴，6-进气口马赫数传感器，7-第一流路流量传感器，8-第二流路流量传感器，9-数据采集器，10-阀门控制器，11-运算模块，12-第一流路，13-第二流路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接（即为不可拆卸连接）包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制系统,用于单进双出流路中进气马赫数和双路气流流量之比的精确控制调节，可高效准确地达到所需工况状态，包括单进双出流路1、第一流路面积调节阀2、第一流路流量喷嘴3、第二流路面积调节阀4、第二流路流量喷嘴5、进气口马赫数传感器6、第一流路流量传感器7、第二流路流量传感器8、数据采集器9、阀门控制器10和运算模块11，单进双出流路1的进气口安装有进气口马赫数传感器6，用于测量实际进气马赫数Man，单进双出流路1的出气侧分为第一流路12和第二流路13，即具有一个进气流路和两个出气流路，第一流路12和第二流路13上分别安装有第一流路面积调节阀2和第二流路面积调节阀4，用于调节流路流量，第一流路12和第二流路13的出气口出分别安装有第一流路流量喷嘴3和第二流路流量喷嘴5，第一流路流量喷嘴3和第二流路流量喷嘴5分别连接有第一流路流量传感器7和第二流路流量传感器8用于测量第一流路12的实际质量流量和第二流路13的实际质量流量/>，所述进气口马赫数传感器6、第一流路流量传感器7和第二流路流量传感器8均与数据采集器9电性连接，数据采集器9可对实际进气马赫数和两路喷嘴的实际质量流量进行采集，阀门控制器10控制第一流路面积调节阀2和第二流路面积调节阀4，数据采集器9与运算模块11电性连接，同时运算模块11控制阀门控制器10，阀门控制器10可对第一流路面积调节阀2和第二流路面积调节阀4进行控制调节，运算模块11可将实际测量得到的流动参数与目标参数进行比对，并向阀门控制器发送指令。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，基于具体实施方式一的控制系统，本实施方式的单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制方法，包括：
S1，设定目标工况：设定目标进气马赫数Ma和目标涵道比B，并将其输入至运算模块11；
S2，预设阀门开度：根据目标进气马赫数Ma和目标涵道比B的工况要求，计算得到的第一流路12和第二流路13中，第一流路面积调节阀2的开度K1和第二流路面积调节阀4的开度K2，进而预设第一流路面积调节阀2和第二流路面积调节阀4的阀门开度；
所述S2中计算得到的第一流路12和第二流路13中，第一流路面积调节阀2的开度K1和第二流路面积调节阀4的开度K2的计算方法包括：
单独运行第一流路12或第二流路13时，阀门开度与流通流量形成一条关系曲线，即第一流路12的目标质量流量和第二流路13的目标质量流量/>分别为：
公式（a）
公式（b）
其中，P0为进口进气总压，T0为进口进气总温，A1为第一流路流量喷嘴3的喉部面积，A2为第二流路流量喷嘴5的喉部面积，CK1为第一流路12包含进气压力损失的流量系数，CK2为第二流路13包含进气压力损失的流量系数，为以K1为因变量的函数关系，/>为以K2为因变量的函数关系；
由此得到CK1~ K1、CK1~ K1的关系曲线，还有K1~CK1、K2~CK2关系曲线；关系曲线可在实测标定中获得。单独打开第一流路，开度为K11时，会得到流量系数CK11；开度为K12时，得到流量系数CK12，依次得到一组K1和CK1，进一步可拟合出K1~CK1关系式；同样可拟合出K2~CK2关系式。
经过单进双出流路1的进气口的总流量等于第一流路12的目标质量流量/>和第二流路13的目标质量流量/>之和，即为：
公式（c）
其中，C为临界流函数，即常量；
第一流路12的目标质量流量和第二流路13的目标质量流量/>之比为目标涵道比B，即：
公式（d）
由公式（a）至公式（d）可计算出：
公式（e）
公式（f）
其中，A0为进气口流路面积，q(Ma)为进气马赫数Ma时的密流函数；
即当有一组目标进气马赫数Ma和目标涵道比B时，可根据公式（e）和公式（f）计算得到一组CK1和CK2，通过上述得到的K1~CK1和K2~CK2的关系曲线，或者CK1~ K1、CK1~ K1的关系曲线，求得到第一流路面积调节阀2的开度K1和第二流路面积调节阀4的开度K2。
因此，当需要某一目标进气马赫数Ma和目标涵道比B工况时，就可提前计算出第一流路面积调节阀2的开度K1和第二流路面积调节阀4的开度K2。
S3，获取实测数据：单进双出流路1运行之后，通过进气口马赫数传感器6、第一流路流量传感器7、第二流路流量传感器8和数据采集器9测量出实际进气马赫数Man、第一流路12的实际质量流量和第二流路13的实际质量流量/>，根据第一流路12的实际质量流量/>和第二流路13的实际质量流量/>，获得实际涵道比Bn；
S4，判断实际数据与目标工况的偏差，获得偏差量：判断实际进气马赫数Man和实际涵道比Bn与目标进气马赫数Ma和目标涵道比B的偏差，获得偏差量；
S5，控制调节：通过运算模块11控制阀门控制器10调节第一流路面积调节阀2的开度K1和第二流路面积调节阀4的开度K2，可对实际进气马赫数Man和实际涵道比Bn进行微调。
运算模块11控制阀门控制器10调节第一流路面积调节阀2的开度K1和第二流路面积调节阀4的阀门开度调节策略如下：
1.实际目标进气马赫数Ma偏低、目标涵道比B偏高时，略增加第二流路开度K2；
2.实际目标进气马赫数Ma偏低、目标涵道比B偏低时，略增加第一流路开度K1；
3.实际目标进气马赫数Ma偏低、目标涵道比B正好时，略增加第一流路开度K1和第二流路开度K2；
4.实际目标进气马赫数Ma偏高、目标涵道比B偏高时，略减小第一流路开度K1；
5.实际目标进气马赫数Ma偏高、目标涵道比B偏低时，略减小第二流路开度K2；
6.实际目标进气马赫数Ma正好、目标涵道比B偏高时，略减小第一流路开度K1并略增加第二流路开度K2；
7.实际目标进气马赫数Ma正好B偏低时，略增加第一流路开度K1并略减小第二流路开度K2。
按以上策略，直至使偏差量减小到误差带范围内，达到实测数据和目标工况一致。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制系统，其特征在于：包括单进双出流路（1）、第一流路面积调节阀（2）、第一流路流量喷嘴（3）、第二流路面积调节阀（4）、第二流路流量喷嘴（5）、进气口马赫数传感器（6）、第一流路流量传感器（7）、第二流路流量传感器（8）、数据采集器（9）、阀门控制器（10）和运算模块（11），单进双出流路（1）的进气口安装有进气口马赫数传感器（6），单进双出流路（1）的出气侧分为第一流路（12）和第二流路（13），第一流路（12）和第二流路（13）上分别安装有第一流路面积调节阀（2）和第二流路面积调节阀（4），第一流路（12）和第二流路（13）的出气口出分别安装有第一流路流量喷嘴（3）和第二流路流量喷嘴（5），第一流路流量喷嘴（3）和第二流路流量喷嘴（5）分别连接有第一流路流量传感器（7）和第二流路流量传感器（8），所述进气口马赫数传感器（6）、第一流路流量传感器（7）和第二流路流量传感器（8）均与数据采集器（9）电性连接，阀门控制器（10）控制第一流路面积调节阀（2）和第二流路面积调节阀（4），数据采集器（9）与运算模块（11）电性连接，同时运算模块（11）控制阀门控制器（10）。
2.单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制方法，是依托权利要求1所述的单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，设定目标工况：设定目标进气马赫数Ma和目标涵道比B；
S2，预设阀门开度：根据目标进气马赫数Ma和目标涵道比B的工况要求，计算得到的第一流路（12）和第二流路（13）中，第一流路面积调节阀（2）的开度K1和第二流路面积调节阀（4）的开度K2，进而预设第一流路面积调节阀（2）和第二流路面积调节阀（4）的阀门开度；
S3，获取实测数据：单进双出流路（1）运行之后，通过进气口马赫数传感器（6）、第一流路流量传感器（7）、第二流路流量传感器（8）和数据采集器（9）测量出实际进气马赫数Man、第一流路（12）的实际质量流量和第二流路（13）的实际质量流量/>，根据第一流路（12）的实际质量流量/>和第二流路（13）的实际质量流量/>，获得实际涵道比Bn；
S4，判断实际数据与目标工况的偏差，获得偏差量：判断实际进气马赫数Man和实际涵道比Bn与目标进气马赫数Ma和目标涵道比B的偏差，获得偏差量；
S5，控制调节：通过运算模块（11）控制阀门控制器（10）调节第一流路面积调节阀（2）的开度K1和第二流路面积调节阀（4）的开度K2，对实际进气马赫数Man和实际涵道比Bn进行微调，降低偏差量至零，达到实测数据和目标工况一致。
3.根据权利要求2所述的单进双出流路进气马赫数和涵道比精确控制方法，其特征在于：所述S2中计算得到的第一流路（12）和第二流路（13）中，第一流路面积调节阀（2）的开度K1和第二流路面积调节阀（4）的开度K2的计算方法包括：
第一流路（12）的目标质量流量和第二流路（13）的目标质量流量/>分别为：
公式（a）
公式（b）
其中，P0为进口进气总压，T0为进口进气总温，A1为第一流路流量喷嘴（3）的喉部面积，A2为第二流路流量喷嘴（5）的喉部面积，CK1为第一流路（12）包含进气压力损失的流量系数，CK2为第二流路（13）包含进气压力损失的流量系数，为以K1为因变量的函数关系，/>为以K2为因变量的函数关系；
由此得到CK1~ K1、CK1~ K1的关系曲线，还有K1~CK1、K2~CK2关系曲线；
经过单进双出流路（1）的进气口的总流量等于第一流路（12）的目标质量流量/>和第二流路（13）的目标质量流量/>之和，即为：
公式（c）
其中，C为临界流函数，即常量；
第一流路（12）的目标质量流量和第二流路（13）的目标质量流量/>之比为目标涵道比B，即：
公式（d）
由公式（a）至公式（d）可计算出：
公式（e）
公式（f）
其中，A0为进气口流路面积，q(Ma)为进气马赫数Ma时的密流函数；通过上述得到的K1~CK1和K2~CK2的关系曲线，或者CK1~ K1、CK1~ K1的关系曲线，求得第一流路面积调节阀（2）的开度K1和第二流路面积调节阀（4）的开度K2。
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