通過壓力表監(jiān)控壓力實(shí)現(xiàn)自制渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)自持的技術(shù)研究

本文針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)自制渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)難以自持運(yùn)行，提出了一種基于壓力表監(jiān)控的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)資質(zhì)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位的壓力參數(shù)(如壓氣機(jī)出口壓力、燃燒室壓力等)，結(jié)合控制算法，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在不穩(wěn)定工況下自持運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效預(yù)防喘振，降低人工干預(yù)需求，為自制低成本渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的自主運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 壓力監(jiān)控節(jié)點(diǎn)選擇

　　自制渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力監(jiān)控需覆蓋以下關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：

　　壓氣機(jī)出口壓力：反映壓縮效率，過高易導(dǎo)致喘振，過低則影響燃燒室進(jìn)氣量。

　　燃燒室壓力：與燃油噴射量、燃燒穩(wěn)定性直接相關(guān)，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以避免熄火或爆震。

　　渦輪出口壓力：用于計(jì)算排氣速度，間接反映推力輸出。

　　尾噴管壓力：監(jiān)測(cè)排氣背壓，優(yōu)化尾噴管設(shè)計(jì)以提高推力效率。

根據(jù)監(jiān)控需求，選用以下壓力表：

　　高精度壓阻式壓力傳感器：量程0-5MPa，5-10MPa，精度±0.5%FS，用于壓氣機(jī)出口與燃燒室壓力監(jiān)測(cè)。

　　耐高溫電容式壓力傳感器：量程0-2MPa，精度±1%FS，采用陶瓷基復(fù)合材料封裝，用于渦輪出口與尾噴管壓力監(jiān)測(cè)。

　　布局原則：在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布置壓力表或精巧型壓力變送器，通過數(shù)據(jù)融合變送器數(shù)據(jù)控制進(jìn)氣壓力，渦輪轉(zhuǎn)速提高穩(wěn)定性可靠性;傳感器安裝位置需避開高溫爆震燃燒區(qū)，采用冷卻通道或隔熱材料保護(hù)。

　　2.3 信號(hào)傳輸與處理

　　傳感器信號(hào)通過模擬開關(guān)切換至信號(hào)測(cè)量電路，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸至微控制器(MCU)。MCU運(yùn)行以下算法：

　　自檢算法：定期對(duì)傳感器進(jìn)行故障診斷，對(duì)比預(yù)設(shè)信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)，若偏差超過閾值則觸發(fā)報(bào)警。

　　動(dòng)態(tài)濾波算法：采用卡爾曼濾波消除振動(dòng)噪聲，提高信號(hào)穩(wěn)定性。

　　壓力比計(jì)算：通過壓氣機(jī)出口壓力與進(jìn)氣壓力之比(PR)，估算發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮效率。

二、自持控制策略

　　3.1 推力閉環(huán)控制

　　基于壓力比(PR)與主軸轉(zhuǎn)速反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整燃油噴射量：

　　PR上升：表明壓縮效率提高，適當(dāng)增加燃油噴射量以提升推力。

　　PR下降：表明壓縮效率降低，減少燃油噴射量以避免喘振。

　　轉(zhuǎn)速補(bǔ)償：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速偏離目標(biāo)值時(shí)，調(diào)整燃油噴射量以維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

　　3.2 喘振預(yù)防與控制

　　當(dāng)壓氣機(jī)出口壓力波動(dòng)超過閾值時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行以下操作：

　　放氣活門調(diào)節(jié)：打開放氣活門，降低壓氣機(jī)負(fù)荷，防止喘振發(fā)生。

　　導(dǎo)流葉片角度調(diào)整：改變導(dǎo)流葉片角度，優(yōu)化氣流方向，提高壓縮效率。

　　燃油限流：在特殊工況下，限制燃油噴射量以避免發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。

　　3.3 故障隔離與容錯(cuò)

　　當(dāng)某傳感器失效時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行以下操作：

　　冗余切換：自動(dòng)切換至冗余傳感器，維持壓力監(jiān)控。

　　模型預(yù)測(cè)：基于歷史數(shù)據(jù)與發(fā)動(dòng)機(jī)模型，預(yù)測(cè)剩余傳感器數(shù)據(jù)，維持控制邏輯。

　　安全停機(jī)：當(dāng)多傳感器失效或關(guān)鍵參數(shù)超出安全范圍時(shí)，觸發(fā)安全停機(jī)程序。

三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

　　4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

　　搭建自制渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，包括：

　　發(fā)動(dòng)機(jī)本體：軸流式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，推力范圍10-50N。

　　壓力監(jiān)控系統(tǒng)：高精度壓阻式與耐高溫電容式壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集卡，MCU控制器。

　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)：電動(dòng)放氣活門，伺服導(dǎo)流葉片，燃油電磁閥。

　　4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　推力閉環(huán)控制：在地面臺(tái)架上，系統(tǒng)成功將推力波動(dòng)范圍從±15%降低至±5%，提高了推力穩(wěn)定性。

　　喘振預(yù)防：在加速工況下，系統(tǒng)提前0.3秒檢測(cè)到壓氣機(jī)出口壓力波動(dòng)，觸發(fā)放氣活門調(diào)節(jié)，避免了喘振發(fā)生。

　　故障隔離：當(dāng)某壓氣機(jī)出口壓力傳感器失效時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換至冗余傳感器，并依據(jù)模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)維持控制邏輯，實(shí)驗(yàn)持續(xù)運(yùn)行10分鐘未發(fā)生停機(jī)。

　　4.3 結(jié)果分析

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于壓力表監(jiān)控的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)可有效提高自制渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的自持運(yùn)行能力。具體體現(xiàn)在：

　　推力穩(wěn)定性提升：通過實(shí)時(shí)調(diào)整燃油噴射量，降低了推力波動(dòng)范圍。

　　喘振預(yù)防能力增強(qiáng)：通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)放氣活門與導(dǎo)流葉片，避免了喘振發(fā)生。

　　故障容錯(cuò)能力提高：通過冗余傳感器與模型預(yù)測(cè)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

四、結(jié)論與展望

　　本文提出了一種基于壓力表及精巧型壓力變送器監(jiān)控的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自制渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的自持運(yùn)行。通過上述技術(shù)路徑，自制渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的自持成功率將顯著提升，為低成本娛樂用航空動(dòng)力系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。