一種核心機(jī)試車(chē)臺(tái)進(jìn)氣溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)方法

李存

摘要：分析了核心機(jī)試車(chē)臺(tái)加溫加壓進(jìn)氣試驗(yàn)時(shí)管網(wǎng)內(nèi)部流動(dòng)的換熱特性，給出了進(jìn)氣溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制策略，研究得出影響進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)過(guò)程的影響因素，為核心機(jī)加溫加壓試驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)氣溫度控制參數(shù)提供技術(shù)參考，縮短試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高試驗(yàn)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(jī)試車(chē)臺(tái);加溫加壓進(jìn)氣;溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)

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

中圖分類(lèi)號(hào)：V263.47 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0030-03

0 ?引言

核心機(jī)試車(chē)臺(tái)主要用于模擬核心機(jī)在整機(jī)狀態(tài)下的進(jìn)口環(huán)境條件，盡可能地逼近核心機(jī)真實(shí)工作狀態(tài)。試驗(yàn)過(guò)程中，需模擬核心機(jī)對(duì)應(yīng)整機(jī)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(jìn)氣壓力、溫度的控制精度。然而，由于進(jìn)氣管網(wǎng)在熱氣輸送過(guò)程中存在較大的熱損失[1]，在現(xiàn)有試驗(yàn)中必須花費(fèi)大量的時(shí)間使流入試驗(yàn)段的氣體溫度達(dá)到試驗(yàn)要求，這樣就會(huì)延長(zhǎng)整個(gè)試驗(yàn)的周期，增加試驗(yàn)成本。本文針對(duì)核心機(jī)試車(chē)臺(tái)進(jìn)氣系統(tǒng)管道進(jìn)行換熱過(guò)程分析，并給出進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)的控制策略，分析影響進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)過(guò)程的影響因素，為核心機(jī)加溫加壓試驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)氣溫度控制參數(shù)提供技術(shù)參考，提高試驗(yàn)效率。

1 ?核心機(jī)試車(chē)臺(tái)設(shè)備組成與工藝原理

核心機(jī)試車(chē)臺(tái)在開(kāi)展加溫加壓進(jìn)氣試驗(yàn)時(shí)，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(guò)水冷換熱器冷卻形成冷支路，另一部分不經(jīng)過(guò)水冷換熱器冷卻形成熱支路，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)冷、熱支路空氣的摻混比例實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)，調(diào)溫?fù)交旌蟮膲嚎s空氣通過(guò)自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)，完成調(diào)溫和調(diào)壓后的空氣經(jīng)過(guò)整流室后進(jìn)入核心機(jī)，以滿(mǎn)足核心機(jī)加溫加壓進(jìn)氣試驗(yàn)需求。

典型的核心機(jī)試車(chē)臺(tái)工藝原理如圖1所示。

2 ?建立進(jìn)氣系統(tǒng)物理模型

對(duì)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(duì)管道進(jìn)行傳熱建模獲得。考慮一根長(zhǎng)為L(zhǎng)、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(wú)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(jìn)氣管道分層建模結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[2][3]。

對(duì)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(duì)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(shí)間內(nèi)第0 層薄壁圓管能量守恒方程為：

3 ?進(jìn)氣溫度自動(dòng)控制策略

核心機(jī)進(jìn)口溫度的調(diào)節(jié)通過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)上游的溫度控制模塊實(shí)現(xiàn)，由于溫度控制模塊一般會(huì)離核心機(jī)進(jìn)口存在一定距離，克服溫度熱慣性為實(shí)現(xiàn)核心機(jī)進(jìn)口溫度自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，此外，還需充分考慮相關(guān)因素對(duì)溫度控制過(guò)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(mén)工作特性、管道沿程熱損失等。

考慮核心機(jī)加溫加壓試驗(yàn)進(jìn)口溫度調(diào)節(jié)的需求，核心機(jī)進(jìn)口溫度控制目標(biāo)為自動(dòng)化、調(diào)節(jié)時(shí)間短、控制精度高。核心機(jī)進(jìn)氣溫度自動(dòng)控制設(shè)計(jì)思路分為四個(gè)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(kāi)大以增加熱支路空氣流量，對(duì)溫度控制模塊與核心機(jī)進(jìn)口之間的管道及設(shè)備進(jìn)行快速升溫，充分預(yù)熱。此時(shí)閥門(mén)持續(xù)開(kāi)大直至核心機(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)口溫度達(dá)到目標(biāo)溫度值后，通過(guò)控制程序設(shè)計(jì)使得調(diào)溫閥動(dòng)作與目標(biāo)溫度匹配的理論閥門(mén)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(shí)，核心機(jī)進(jìn)口溫度會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的超調(diào)情況。其中，目標(biāo)計(jì)算閥位為：

?③熱平衡穩(wěn)定階段：當(dāng)調(diào)溫閥動(dòng)作至與目標(biāo)溫度匹配的理論閥門(mén)位置后，穩(wěn)定一段時(shí)間，待溫度熱平衡穩(wěn)定，盡可能的消除熱慣性對(duì)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(jī)進(jìn)口溫度進(jìn)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(yàn)過(guò)程中獲得的對(duì)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(shí)現(xiàn)核心機(jī)進(jìn)口溫度高精度控制。

4 ?進(jìn)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(gè)進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)過(guò)程中，理論目標(biāo)值控制階段的溫度調(diào)節(jié)閥的閥位計(jì)算是否準(zhǔn)確直接影響溫度調(diào)節(jié)的時(shí)間。這是因?yàn)橐坏┻M(jìn)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(shí)，反饋調(diào)節(jié)時(shí)間將會(huì)很長(zhǎng)。

在溫度調(diào)節(jié)過(guò)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(shí)，可獲得最佳的溫度調(diào)節(jié)過(guò)程。

4.2 進(jìn)氣系統(tǒng)的熱慣性

在管道內(nèi)部會(huì)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(huì)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(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。為解決溫度熱慣性與自動(dòng)化調(diào)節(jié)的矛盾形成進(jìn)氣溫度自動(dòng)化調(diào)節(jié)過(guò)程設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)化調(diào)節(jié)，并通過(guò)開(kāi)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(duì)穩(wěn)定時(shí)間的影響分析

由于進(jìn)氣流道內(nèi)的設(shè)備元件儲(chǔ)熱效應(yīng)，進(jìn)氣溫度的建立和穩(wěn)定過(guò)程需要一個(gè)過(guò)程，而這個(gè)過(guò)程直接與目標(biāo)溫度相關(guān)，目標(biāo)溫度越高時(shí)，首次達(dá)到目標(biāo)溫度和穩(wěn)定調(diào)節(jié)的時(shí)間越長(zhǎng)，此時(shí)，對(duì)穩(wěn)態(tài)溫度控制精度要求越高，所需的時(shí)間越長(zhǎng)。不同工況下升溫過(guò)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(guò)程如圖3所示，可見(jiàn)，目標(biāo)溫度越高，調(diào)節(jié)溫差越大，所需溫度調(diào)節(jié)時(shí)間越長(zhǎng)。

4.4 ?進(jìn)氣系統(tǒng)沿程溫?fù)p

核心機(jī)試車(chē)臺(tái)進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)備外部均進(jìn)行了保溫處理，但保溫層的設(shè)置并不能完全消除進(jìn)氣系統(tǒng)管道和閥門(mén)等向外輻射或傳導(dǎo)熱量，造成進(jìn)氣管網(wǎng)存在一定的溫度，直接影響核心機(jī)進(jìn)口目標(biāo)溫度的控制。經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證，在不同工況進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)的方式，獲得不同工況下對(duì)應(yīng)的溫?fù)p情況，在進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)時(shí)進(jìn)行人工修正，可大大縮短進(jìn)氣溫度建立的時(shí)間，提高試驗(yàn)效率。

4.5 其他因素影響

進(jìn)氣溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)過(guò)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(huì)對(duì)進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)過(guò)程產(chǎn)生影響。

5 ?進(jìn)氣溫度控制調(diào)試驗(yàn)證結(jié)果

為驗(yàn)證某核心機(jī)試車(chē)臺(tái)的進(jìn)氣溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制邏輯，設(shè)定某一工況點(diǎn)：進(jìn)氣溫度313K，進(jìn)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(jìn)氣目標(biāo)溫度為313K，將進(jìn)氣流量調(diào)節(jié)至21.8kg/s，建立第1個(gè)驗(yàn)收工況點(diǎn)OP1（313K@21.8kg/s），進(jìn)氣溫度可自動(dòng)調(diào)節(jié)達(dá)到313±1.57K，歷時(shí)3min，穩(wěn)定2min后仍在壓力控制精度范圍內(nèi)。將進(jìn)氣流量調(diào)節(jié)至66kg/s，建立第2個(gè)驗(yàn)收工況點(diǎn)OP2（313K@66kg/s），進(jìn)氣溫度自動(dòng)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(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)管道傳熱建模方法進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)分析了進(jìn)氣溫度控制策略以及對(duì)應(yīng)的影響因素，尤其是熱慣性、閥門(mén)工作特性以及不同目標(biāo)溫度對(duì)進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)的影響，為核心機(jī)加溫加壓試驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)氣溫度控制參數(shù)提供技術(shù)參考，縮短核心機(jī)試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高試驗(yàn)效率。

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