基于變量泵和噴嘴數的無級變速渦輪發動機

趙寬明, 楊赪石, 羅 凱, 錢志博, 朱允進

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基于變量泵和噴嘴數的無級變速渦輪發動機

趙寬明1,2, 楊赪石2, 羅 凱1, 錢志博1, 朱允進3

(1. 西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072; 2. 中國船舶重工集團第705研究所, 陜西 西安, 710075; 3. 西安船舶工程研究院有限公司, 陜西 西安, 710077)

由于基于流量的單變量控制渦輪發動機動力系統運行經濟性較差, 提出了基于噴嘴數開環控制和變量燃料泵流量閉環控制的方法, 進而實現渦輪發動機的無級變速。閉環控制采用改進的自適應算法, 使得雙變量控制方法簡單實用, 適用于無級變速反艦兼反潛的重型水下航行器, 提高了系統運行效率和平穩性。仿真結果表明, 水下航行器渦輪機動力系統采用噴嘴數開環調節和變量燃料泵流量閉環調節的雙變量方式, 系統的壓力波動和轉速波動小, 同時較采用單一流量調節的系統燃料秒耗量降低了28%, 渦輪葉片前的溫度也可降低約230 K。

水下航行器; 渦輪發動機; 推進劑流量; 噴嘴數目; 自適應控制

0 引言

未來海戰對水下熱動力推進系統提出了越來越高的期望, 即遠航程、大航深、變速范圍大、低噪聲等。同時, 為了提高命中概率和破壞威力, 制導規律已從傳統的以命中目標為目的發展到以垂直命中為目的, 如果能具備無級變速能力, 則可以有效地支持新型制導規律的實現。

水下航行器采用無級變速航行時, 先以低速航行, 在確保有效捕捉目標的前期下提高航速, 一旦目標丟失則自動轉為低速搜索。采用無級變速, 一方面可使魚雷搜索和攻擊彈道更加合理, 提高自導的作用距離, 實現可靠跟蹤, 使魚雷對目標的攻擊更加有效; 另一方面有利于提高能源利用率, 增加航程。由此可見, 研制無級變速推進系統直接關系到魚雷性能的提升。

電動力的無級變速相對于熱動力實現較為方便, 但又存在航程不足的缺陷[1]。熱動力采用渦輪發動機作為推進主機是目前的發展趨勢[2],但開發大功率、大航深的渦輪機技術難度很大, 主要是由于要滿足航行器大范圍變速(30~70 kn)和變深(5~900 m)的彈道要求。水下渦輪機通常采用低耗氣量、大焓降的小型渦輪機, 且要求渦輪機滿足功率大、體積小、重量輕、結構簡單等要求。同時由于渦輪機在變動工況時, 特別是在變深時, 對背壓的敏感程度遠遠超過活塞機系統, 采用傳統的僅靠燃料流量的單變量控制方式很難滿足水下航行器大部分時間運行在非設計工況的經濟性要求, 因此開展新型適用于渦輪發動機系統的無級變速控制方案的研究勢在必行[3]。

本文以反艦兼顧反潛的重型水下航行器為背景, 提出渦輪機無級變速的構想, 并建立適用于渦輪機動力系統的雙變量數學模型, 即通過改變開環工作噴嘴數目和閉環控制變量燃料泵排量的雙變量控制方法, 對系統進行了仿真計算。仿真結果表明, 與采用燃料流量的單一變量控制方法相比, 動力系統燃料耗量降低約28% (低速和中速、400 m航深工況), 渦輪葉片前的溫度可降低約230Ｋ(低速和中速、航深400 m工況), 整個動力系統運行平穩。

1 水下渦輪機無級變速動力推進系統

水下渦輪機無級變速動力推進系統原理如圖1所示。系統主要由變量燃料泵、噴嘴盒、燃燒室、渦輪機、泵噴推進器、傳感器、發動機控制器單元等部分組成。

燃料在外部海水壓力下從燃料艙進入變量燃料泵, 經變量燃料泵按照航速和航深調節并增壓, 增壓后的燃料經噴嘴盒進入燃燒室霧化燃燒, 產生高溫高壓燃氣, 驅動渦輪盤做功。渦輪盤通過行星減速器驅動泵噴推進器, 將渦輪機的旋轉運動轉換為水下航行器的向前運動, 使航行器達到指定航速。渦輪機做功后的乏氣須經推進軸內孔的排氣閥排出雷體。該系統屬于開式循環, 受海水背壓影響很大。

本文介紹的渦輪機動力系統在結構上采用改變燃料流量和噴嘴數量的雙環調節方式, 用變量燃料泵的泵后壓力與燃燒室的設定壓力進行比較, 將其差值作為指令信號, 構成燃燒室壓力的閉環調節器子系統。同時, 整個系統采用轉速閉環控制, 控制系統的反饋信號采用與發動機轉速恒定速比的中頻發電機的頻率。變速過程根據制導系統的指令, 通過信息處理器將雷體的相關信息和自動駕駛儀進行處理, 通過發動機控制單元發給轉速控制器的變速編碼指令實施, 發動機控制單元根據上位機給定的變速指令和中頻發電機反饋的轉速信號確定相應的控制信號, 同時將計算的燃料耗量傳給自動駕駛儀的信息處理器, 以便優化彈道。變量燃料泵根據所接收的控制信號, 調節燃料泵的斜盤傾角, 進而調節進入燃燒室的燃料流量。

采用此種系統配置, 無論水下航行器運行于何種航速和航深下, 燃燒室的壓強變化都不會很大, 噴嘴速度因數、可用理想焓降、系統內效率的相對變化都較小, 經濟性指標滿足系統要求。同時渦輪前溫度較低, 使渦輪機葉片、渦輪盤的選材相對較易, 有利于降低渦輪機的設計難度。

圖1 無級變速動力推進系統原理圖

2　系統建模

在對水下航行渦輪機進行系統建模時, 應考慮噴嘴損失、工作葉片損失、余速損失、輪盤摩擦與部分進氣葉片鼓風損失、乏氣損失、間隙漏氣損失和機械損失等實際系統存在的各種損失, 隨著航速、航深等大范圍的變動, 這些損失的變動范圍也可能較大[4]。在建模中采用的方法是: 充分考慮以上各種損失在不同工況下對渦輪機內效率的影響, 輪周功率為理想可用焓降、效率以及燃料流量的乘積, 輪周轉功率除以對應的反饋轉速即可得到渦輪機的輸出轉矩, 由于噴嘴在任何 工況下總是處于臨界狀態, 燃料流量由燃燒室內的氣體狀態和噴嘴喉部截面積確定。

以水下航行器的縱平面作為參考系, 開式循環渦輪機動力推進系統的數學模型主要由水下航行器運動學與動力學方程、變量燃料泵排量方程、燃燒室壓力方程、噴喉面積以及渦輪機動力系統動力學方程等7個方程構成。

3　控制策略

現代高性能重型反艦兼反潛航行器要求熱動力系統具有很大的航速、航深變動范圍, 因此渦輪機系統的控制與活塞式發動機一樣, 同樣體現在系統變速和變深兩個方面。但渦輪機系統又與活塞機系統有不同之處, 主要是變深及變速對發動機內效率的影響不同。渦輪機系統變速過程中, 速度比的變化會影響渦輪機的內效率; 而在系統變深時, 排氣壓強的變化會影響系統的可用焓降, 噴嘴的速度因數也將發生改變, 進而使得噴嘴出口速度隨之變化, 造成速度比改變, 同樣會影響內效率。渦輪機系統在結構上允許采用更多的控制點, 除可采用活塞式發動機那樣的僅靠燃料流量的調節方式, 也可采用流量和工作噴嘴數均可調整的雙變量調節方式。但噴嘴數的調節就是噴嘴喉部截面積的量值發生不連續的、階梯形的變化, 因此噴嘴數調節呈階躍性。

渦輪機動力系統通常是按照高速、大深度的工況進行設計的, 對于僅采用流量調節方式的系統, 在低速航行時, 由于噴嘴通流部分的幾何尺寸不變, 燃燒室壓力會隨渦輪盤的轉速下降而大幅度降低, 并且可用理想焓降也將大幅度降低, 使得渦輪機的內效率和輸出功率大幅度降低; 另外當航行器在大深度、低速工況航行時, 由于航行深度的變化引起背壓的變化, 從而使噴嘴后壓強發生變化。由于噴嘴數不進行調整, 因此壓強比大幅度上升, 且燃料流量不變, 造成燃燒室的燃燒溫度基本不變, 其結果是渦輪前溫升高。這就要求渦輪葉片的材料應具有更好的熱力性能, 給設計帶來更大的局限性。因此, 采用單一的燃料流量調節方式無法使渦輪機滿足較大范圍的變速和變深要求, 但這種控制方式可以適用于反艦水下航行器。

水下航行器的低速航行可以通過改變工質秒耗量實現, 為保證工質的初始壓力和溫度基本不變, 就不能改變燃料供應系統, 同時渦輪機噴嘴喉部總面積也要進行改變。喉部總面積的改變可以通過改變噴嘴數量的辦法實現, 燃料流量的改變可以通過改變燃料泵排量的方法實現。從渦輪機動力系統運行經濟性和系統實現的可能性出發, 將變量燃料泵后壓力作為反饋信號, 設定燃燒室壓力, 其差值作為指令信號, 構成燃燒室壓力的閉環調節器子系統; 而使用系統轉速作為反饋信號, 上位機指令轉速作為指令信號, 構成系統轉速的閉環伺服器子系統。采用燃料流量和噴嘴數目雙變量調節方式的渦輪發動機, 無論系統運行于任何航速和航深工況下, 燃燒室壓強的變化都不會很大, 噴嘴速度因數、可用理想焓降、內效率的變化都相對較小, 可以降低動力系統的工質秒耗量, 同時渦輪葉片可以在較大的范圍選材, 進而提高渦輪機系統實現的可行性。

當然, 采用雙變量調節方式的渦輪機系統在推進劑攜帶量相同的條件下航程較長, 工況適用范圍更大, 但是由于噴嘴數目的調節是非連續的, 只能跳躍性地進行, 當設計中遇到噴嘴數目為非整數時, 必須優化噴嘴個數。另外, 為了實現雙參數渦輪機系統平穩性, 需對噴嘴數目進行修正, 即針對某一速制配合固定的工作噴嘴數目 (采用這種控制方式, 會增加燃料的消耗量), 并采用設定轉速作為指令信號的開環控制, 這樣可以有效減輕由于噴嘴數目變動而帶來的系統不穩定。

4　控制模型

渦輪機雙變量控制系統由調節噴嘴數目的開環控制子系統和調節變量燃料泵流量的閉環控制子系統構成。

在噴嘴數開環子系統中, 以轉速為指令信號, 預設噴嘴數表格, 針對不同的轉速設定對應的工作噴嘴數目。但變速時, 每隔一個采樣周期變動一組噴嘴數目, 直至滿足噴嘴數目的要求; 當變深時, 噴嘴數目不變。

在流量閉環子系統中,, [o8] 故采用自適應控制算法, 以獲得較為理想的控制效果, 自適應算法相對簡單, 在工程上容易實現。

渦輪機雙變量控制系統的開環傳遞函數

按照該傳遞函數構造的自適應控制器, 可以確保系統所有參數的全局有界性, 并實現跟隨參考模型輸出的目的。但由于控制器算法包含了過多的控制參數, 很難實現控制器參數的優選和整定。

水下航行器及渦輪機自身的物理特性可以簡化系統模型。當斜盤角度一定時, 燃料泵輸出的流量與轉速呈正比, 即發動機的轉速升高(或下降)將導致燃料流量的升高(或下降), 形成正反饋環節。由于渦輪機系統自身對于變量燃料泵排量的響應是開環穩定的, 這樣就可以采用簡單的經典控制算法實現對渦輪機理想模型的跟蹤, 大大簡化系統模型。考慮到燃燒室壓力對變量燃料泵排量和噴嘴數目變動的響應非常快, 因此可以采用合理選取參考模型的形式和參數, 獲得較好的輸出響應。

該簡化參考模型為慣性環節, 其傳遞函數為

采用PI控制算法實現對理想參考模型輸出的跟蹤

聯立式(9)和式(10)得到控制器輸出的變量燃料泵控泵參數

進而聯立式(8), 得到雙參數渦輪機系統的閉環傳遞函數

5　仿真結果及分析

用已建立的系統模型和控制算法對基于變量泵和噴嘴數的無級變速渦輪發動機進行仿真計算。圖2為采用固定噴嘴數僅改變變量燃料泵流量的單參數調節方式, 圖中曲線為水下航行器在恒深、變速(減速再加速)情況下, 對各狀態變量的過渡過程, 數字1, 2, 3分別代表燃燒室壓力、流過噴嘴的流量和渦輪前溫度。圖3和圖4為水下航行器在噴嘴數目開環調節、變量燃料泵排量轉速閉環調節的雙參數控制下, 動力系統加速和減速時, 燃燒室壓力和渦輪機轉速的變化過程, 圖中曲線1, 2分別為燃燒室壓力和系統轉速。從圖中可以看出, 在燃料流量和噴嘴數調節同步進行時, 系統的壓力和轉速變化平穩, 超調。

圖2 噴嘴數目為12時歸一化狀態變量圖

圖3 低速變高速時歸一化狀態變量圖

圖4 高速變低速時歸一化狀態變量

圖5和圖6描述了針對單一流量調節和雙變量調節2種控制模式, 航行器在不同航深下在低速和中速時工質秒耗量對比。圖中曲線1, 2分別為單一流量調節和雙變量調節下燃料秒耗量。由圖可知, 采用雙變量調節控制模式的經濟性高于單一流量調節。

圖5 低速時工質秒耗量對比

圖6 中速時工質秒耗量對比

6 結束語

從仿真結果可以看出, 水下航行器渦輪機動力系統采用噴嘴數開環調節和變量燃料泵流量閉環調節的雙變量方式, 系統壓力波動和轉速波動小, 運行會更加平穩, 同時較采用單一流量調節的系統具有更低的燃料秒耗量, 對于水下航行器實現遠航程以及無級變速具有一定的指導意義。

[1] 李宏, 徐德民, 李治典, 等. 電動力魚雷驅動電機無級調速技術實現途徑[J]. 魚雷技術, 2003, 11(2):29-32. Li Hong, Xu De-min, Li Zhi-dian, et al. Technical Ways of Realizing Stepless Speed Regulation by Propulsion Motor of Electric Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2003, 11(2):29-32.

[2] 趙寅生, 魚雷渦輪機原理[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 1995, 128-158.

[3] 趙寬明, 楊赪石, 孫開鋒, 等. 基于變量燃料泵的無級變速活塞發動機性能研究[J]. 魚雷技術, 2008, 16(5):51-54. Zhao Kuan-ming, Yang Cheng-shi, Sun Kai-feng, et al. Per- formance of Stepless-Speed Swashplate Piston Engine with Variable Fuel Pump[J]. Torpedo Technology, 2008, 16(5): 51-54.

[4] 羅凱, 黨建軍, 王育才. 水下熱動力推進系統自動控制[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2005: 230-252.

Stepless Speed Turbine System Based on Variable Flow Pump and Nozzles

ZHAO Kuan-ming1,2, YANG Cheng-shi2, LU Kai1, QIAN Zhi-bo1, ZHU Yun-jin3

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 3. Xi′an Marine Equipment Engineering Research Academy, Xi′an 710077, China)

For the low energy transformation efficiency of the turbine system controlled by single variable flow rate, a bi-variable control method combining open-loop control of working nozzle number and closed-loop control of variable flow rate of fuel pump is proposed to realize stepless speed control of turbine engine. An improved adaptive control algorithm is used for the closed-loop control. This bi-variable control method is simple and suitable for anti-ship and anti-submarine autonomous underwater vehicles, and can make the turbine system work with high efficiency and stability. Simulation result indicates that the turbine system with the bi-variable control achieves lower fluctuation in both pressure and speed, and obtains a 28% reduction in fuel consumption of the system and a 230 K decrease in temperature of foreside of turbine vane, compared with the turbine system with single variable control.

autonomous underwater vehicle; turbine engine; flow of propellant; nozzle number; adaptive control

TJ630.34

A

1673-1948(2012)03-0210-05

2011-07-15;

2011-11-24.

趙寬明（1966-）, 男, 高級工程師, 在讀博士, 研究方向為熱動力推進系統控制與仿真.

(責任編輯: 陳 曦)