一种基于移动阀芯和叶片温控的预旋供气系统及控制方法

本技术涉及航空发动机预旋供气系统，具体而言，涉及一种基于移动阀芯和叶片温控的预旋供气系统及控制方法。

背景技术：

1、预旋供气系统是航空发动机二次空气系统的关键组成部分，其通过预旋喷嘴对冷却气流进行加速并形成周向速度分量，从而降低进入涡轮转子的相对总温，直接影响涡轮叶片的工作温度和热端部件的使用寿命，已有研究表明，性能优良的预旋供气系统可实现预旋温降，对于提高涡轮前温度、延长热端部件寿命意义重大，然而，现有预旋供气系统长期存在可调能力不足、驱动机构可靠性差、调节精度低、无法适应全工况冷却需求等突出问题，严重制约了发动机性能的进一步提升。

2、在预旋喷嘴结构方面，西北工业大学已提出叶孔式预旋喷嘴，通过叶片压力面与吸力面形成的渐缩流道有效降低了流动损失，在一定工况范围内表现出良好的气动性能，但该方案采用固定几何结构，喷嘴流通面积在制造后恒定不变，无法根据发动机不同工况下的冷却需求进行主动调节，当发动机在慢车、巡航、爬升、最大推力等工况间切换时，涡轮热负荷发生大幅变化，而冷却流量却无法随之响应调整，导致低工况下冷却过量、高工况下冷却不足的矛盾长期存在。

3、为适应变工况冷却需求，近年来发展了多种可调预旋喷嘴技术。例如，cn119641487b提出了一种被动扭簧式调节方案，在喷嘴前设置进气挡板，依靠进气压力与扭簧预紧力的差值实现被动调节，结构较为简单但调节规律固定，无法根据涡轮热负荷的真实变化进行主动干预；cn119641486b采用径向插板式结构，通过直线电机驱动挡板径向插入进气流道以改变流通面积，但每个喷嘴需单独配置电机驱动器，多喷嘴协调控制复杂，且执行机构布置在喷嘴环附近，电机和润滑脂的耐温问题突出，长期可靠性难以保证；cn119641485b采用联动环式结构，通过单个电机带动传动环和连杆使所有挡板同步旋转，一定程度上解决了多喷嘴同步问题，但联动环和连杆机构仍位于喷嘴环外侧高温区，热变形和润滑失效风险较高；cn202410639020提出了可调喷嘴与固定喷嘴沿周向间隔分布的混合布局方案，但其可调部分仍采用叶片旋转式调节，且控制方法基于流量试验的开环映射，未能实现基于温度反馈的闭环精确控制；cn202511081510.0将液压调节器安装于外涵道中，通过锥齿轮传动实现驱动，但驱动轴需穿过涡轮导叶内部，对导叶结构有特殊改造要求，工程实施难度大。

4、综合分析上述现有技术，主要存在以下共性不足：

5、（1）可调喷嘴的调节方式多为叶片旋转式，叶片结构薄、刚性和加工性差，调节机构复杂，长期工作于高温燃气环境中易发生热变形和卡滞；

6、（2）驱动执行机构普遍布置于喷嘴环附近高温区，对电机耐温等级和润滑脂的高温稳定性要求极为苛刻，长期可靠性难以保证；

7、（3）控制方式基本为开环或半开环，依据预设流量特性曲线进行调节，未能直接响应涡轮热负荷的实时变化，尤其在快速加速或变循环工况下控制品质不佳；

8、（4）缺乏对可调喷嘴驱动机构失效时的安全保障机制，一旦执行机构发生故障可能导致冷却流量大幅波动，影响发动机安全运行。

9、因此，亟需一种新型预旋供气系统，能够实现执行机构的低温区远置安装以保证长期可靠性。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本技术提供了一种基于移动阀芯和叶片温控的预旋供气系统及控制方法。

2、本技术的实施例是这样实现的：

3、第一方面，本技术提供一种基于移动阀芯和叶片温控的预旋供气系统，包括进气段、预旋喷嘴段、蜗杆伺服电机、阀芯、隔热套及衬套，其特征在于：

4、所述进气段远离燃烧室的端面设置有周向均布的轴向进气孔，所述轴向进气孔与压气机末级相通，所述进气段设置有周向均布的径向连接孔，所述径向连接孔与所述隔热套以及所述衬套配合安装；

5、所述预旋喷嘴段的流道包括常开喷嘴组和可调喷嘴组，所述常开喷嘴组包含多个常开喷嘴，每个所述常开喷嘴的流道为固定几何结构且始终保持全开状态，所述可调喷嘴组包含多个可调喷嘴，每个所述可调喷嘴的流道进口处设置有一个可沿自身轴向移动的阀芯，所述可调喷嘴组与所述常开喷嘴组沿周向均匀交替分布，所述预旋喷嘴段内部设置有轴向隔板和周向隔板，所述轴向隔板用于分隔所述常开喷嘴组与所述可调喷嘴组，所述周向隔板设置有滑动孔，所述滑动孔用于与所述阀芯的阀杆滑动配合；

6、所述阀芯固定连接有沿轴向延伸的阀杆，所述阀杆穿过燃烧室下部空腔，所述阀芯远离节流面的一端设置有直齿齿条，所述阀芯靠近节流面的一端为环形结构，其轴向截面外轮廓为流线型圆锥；

7、所述蜗杆伺服电机固定安装于机匣外侧，所述蜗杆伺服电机包括伺服电机本体和蜗轮蜗杆减速器，所述蜗轮蜗杆减速器具有反向自锁功能，所述蜗轮蜗杆减速器的输出轴连接有沿发动机径向布置的径向齿杆，所述径向齿杆穿过机匣并伸入所述进气段内部，所述径向齿杆靠近发动机轴线的一端设置有齿轮，所述齿轮与所述阀芯的所述直齿齿条啮合，所述径向齿杆的外部套设有所述隔热套，所述隔热套用于阻隔高温气体，所述径向齿杆穿过所述衬套，所述衬套设置于所述进气段的所述径向连接孔内并与所述径向齿杆圆柱面配合，所述径向齿杆在发动机周向上位于燃烧室火焰筒的相邻两个头部进气孔之间的间隙中，且与所述头部进气孔在轴向上互不遮挡；

8、还包括温度传感器及控制器，所述温度传感器安装于涡轮机匣，用于实时测量涡轮叶片温度，所述控制器的输入端与所述温度传感器连接，所述控制器的输出端与所述蜗杆伺服电机连接；

9、所述控制器以所述涡轮叶片温度为反馈量，采用pid控制算法自动控制所述蜗杆伺服电机转动，所述蜗杆伺服电机通过所述径向齿杆和所述直齿齿条驱动所述阀芯沿轴向移动，改变所述可调喷嘴的进气面积，使所述涡轮叶片温度跟踪预设的目标温度。

10、在一种可能的实现方式中，所述可调喷嘴的数量占总喷嘴数量的20%至50%，且所述可调喷嘴沿周向均匀分布。

11、在一种可能的实现方式中，所述阀芯的截面外形为流线型圆锥体，所述阀芯的所述流线型圆锥的母线与所述阀芯轴线的夹角为15°至30°；

12、所述预旋喷嘴段的内壁设置有与所述流线型圆锥相配合的内圆锥斜面，所述内圆锥斜面的母线与所述阀芯轴线的夹角为15°至30°，所述流线型圆锥与所述内圆锥斜面之间形成收敛的环形节流缝隙。

13、在一种可能的实现方式中，所述蜗轮蜗杆减速器的减速比为30:1至100:1；所述直齿齿条和所述齿轮的模数为1.0至2.0。

14、在一种可能的实现方式中，所述阀芯具有完全打开位置和完全关闭位置；

15、在所述完全打开位置，所述阀芯缩入所述预旋喷嘴段内壁的凹槽中，所述阀芯与所述预旋喷嘴段内壁之间的最小间隙大于所述可调喷嘴的喉道高度；

16、在所述完全关闭位置，所述阀芯的所述流线型圆锥与所述预旋喷嘴段内壁的所述内圆锥斜面完全贴合，所述最小间隙为零。

17、在一种可能的实现方式中，所述温度传感器为快速响应红外辐射测温传感器，其时间常数不大于0.05s，测量精度不低于±2k；

18、所述温度传感器在涡轮机匣周向上均布有多个，所述控制器对各所述温度传感器的测量信号进行平均值处理。

19、第二方面，本技术提供一种基于移动阀芯和叶片温控的预旋供气系统的控制方法，包括：

20、s1：以固定采样周期采集涡轮叶片温度、高压压气机转速和累计寿命消耗，其中为当前采样时刻的序号；

21、s2：根据所述累计寿命消耗计算当前时刻的目标温度，计算公式为：

22、；

23、其中，为涡轮叶片材料的额定耐温极限减去安全裕度，为寿命补偿系数，取值范围为0至100；

24、s3：计算当前时刻的温度偏差，计算公式为：

25、；

26、s4：根据所述高压压气机转速所在的转速区间，从预设的pid参数表中查询并读取对应的比例增益、积分增益和微分增益；

27、s5：判断所述温度偏差的绝对值是否小于预设死区，若，则设置积分使能系数，若，则设置积分使能系数；

28、s6：计算离散pid控制量，计算公式为：

29、；

30、s7：计算温升率前馈控制量，计算公式为：

31、；

32、其中，为预设的差分步数，为预设的前馈增益；

33、s8：计算smith预估器补偿量，计算公式为：

34、；

35、其中，为预设的补偿强度系数，为模型预测温度，为被控对象的纯滞后时间；

36、s9：计算总控制量，计算公式为：

37、；

38、并对所述总控制量进行幅值限幅处理；

39、s10：将限幅后的所述总控制量转换为期望阀芯位移，转换公式为：

40、；

41、其中，为蜗杆减速器减速比，为齿条导程；

42、s11：对所述期望阀芯位移进行变化率限制，得到最终阀芯位移指令，限制规则为：

43、；

44、其中，为预设的最大阀芯移动速度；

45、s12：将所述最终阀芯位移指令发送给所述蜗杆伺服电机的驱动器，驱动所述蜗杆伺服电机转动，通过所述径向齿杆和所述直齿齿条带动所述阀芯移动至指令位置；

46、s13：返回s1，重复执行s1至s12。

47、在一种可能的实现方式中，所述的取值范围为1 k至3 k。

48、在一种可能的实现方式中，所述pid参数表中至少包含慢车区、巡航区和大推力区三组不同的所述比例增益、所述积分增益和所述微分增益的值，所述慢车区对应的所述高压压气机转速为0至，所述巡航区对应的所述高压压气机转速为40%至80%，所述大推力区对应的所述高压压气机转速为至。

49、在一种可能的实现方式中，所述最大阀芯移动速度的取值范围为1 mm/s至3 mm/s。

50、本技术提供的技术方案至少可以达到以下有益效果：

51、本技术提供的一种基于移动阀芯和叶片温控的预旋供气系统及控制方法，具有以下有益效果：

52、高可靠性：蜗杆自锁确保断电后阀芯位置锁定，避免意外漂移；常开喷嘴始终提供基础冷却，可调部分故障时仍能维持安全运行。

53、长寿命：驱动机构位于压气机机匣外侧（≤400 k），远低于喷嘴环附近（≥700 k），电机和润滑脂寿命延长2至3倍。

54、低流动损失：流线型锥体阀芯与斜面节流面配合，经cfd计算，在50%开度下流量系数超过0.89，显著高于传统平板阀芯（0.82）和部分叶片旋转式结构（0.85至0.87）。

55、高控制品质：阶跃响应超调量从常规pid的25k降至8k（实测数据）；稳态误差小于±2 k（传感器精度极限）；全工况增益调度保证稳定裕度一致；死区积分分离使阀芯动作次数减少60%，延长机械寿命；前馈和smith预估器显著抑制了加速过程的温度超调。

56、长涡轮寿命：基于累计寿命消耗动态降低目标温度，预测可使涡轮叶片寿命延长20%以上。

57、易于工程实现：径向齿杆从外部安装，无需拆卸燃烧室即可检修；对现有发动机改动小，改装成本低。