一种射流预冷发动机的喷流降温控制方法与流程

1.本技术属于航空发动机设计领域，特别涉及一种射流预冷发动机的喷流降温控制方法。


背景技术：

2.高马赫数飞行器在大马赫数飞行时，来流气流温度较高，超过了涡轮发动机所能承受的工作范围。射流预冷发动机是在常规涡轮发动机的风扇/压气机前，加装喷射冷却介质(通常是水或水的混合液)的装置，通过介质的喷射、雾化和蒸发效果以冷却进气道中较高温度的气流，使进入风扇/压气机前的气流总温降低或维持在某一温度，从而使发动机在可承受的进口气流温度下工作，进而实现发动机工作范围的扩展。
3.射流预冷装置控制系统是根据来流气体总温、流量及发动机进口目标温度来调节冷却介质流量，使涡轮发动机风扇前气流总温保持在涡轮发动机能够承受的最大来流总温以下。通常高马赫数飞行器在加速爬升时开启射流预冷工作，即射流预冷发动机的来流条件始终处于动态变化过程，为了保证风扇/压气机进口温度不变，射流预冷装置需要不断地调整喷流量。
4.如图1-2所示，已有的射流预冷控制方案一般为面向射流预冷研究性试验的控制方案，在射流预冷装置1后风扇3进口前布置总温传感器2监测风扇入口截面(2-2截面)的总温t
t2
，进入射流预冷模式时，按照风扇进口前总温给定值t
t2_dem
闭环调节水量，当实测总温度t
t2
偏离给定值时，总温测耙感受到风扇入口总温变化时，调整冷却介质流量直至射流预冷后的总温t
t2
达到目标值t
t2_dem
。由于温度测量本身具有一定的延迟性，且射流预冷条件下总温测量受到水雾的影响具有较大的测量误差，此控制方法会导致实时的冷却介质流量wc和风扇进口总温偏离预期，导致风扇换算转速n
1r
测试偏离实际，进而造成飞发流量不匹配，严重时会引起发动机喘振。
5.为解决上述工程应用问题，提出了一种射流预冷发动机的喷流降温控制方法。


技术实现要素：

6.本技术的目的是提供了一种射流预冷发动机的喷流降温控制方法，以解决现有技术中由于温度测量具有延时性而导致冷却介质流量、风扇进口温度、风扇换算转速偏离预期的问题。
7.本技术的技术方案是：一种射流预冷发动机的喷流降温控制方法，包括：获取飞机的飞行高度h和飞行速度ma0，计算射流预冷装置前来流的总温t
t1
和总压p
t1
；获取风扇进口前目标温度t
t2_dem
计算目标风扇的风扇换算转速n
1r
，根据风扇换算转速n
1r
和换算流量w
2r
的对应关系计算风扇的换算流量w
2r
，并进一步计算发动机的进口空气流量w2；根据风扇进口空气流量w2、射流预冷装置前来流的总温t
t1
和风扇进口前目标温度t
t2_dem
计算初始冷却介质流量wc；测量并获取风扇后总温t
t13
，并根据发动机工作特性获得总压压比πf和风扇效率ηf，重构风扇前实际总温t
t2c
，利用风扇前实际总温t
t2c
对初始冷却介质流量wc进行修正，得
到实际冷却介质流量。
8.优选地，所述射流装置前来流的总温t
t1
和总压p
t1
的计算公式为：
[0009][0010][0011]
式中，p0为环境静压；t0为环境静温；p
t1
为射流预冷装置前来流总压；t
t1
为射流预冷装置前来流总温；ma0为飞行器飞行马赫数；k为来流空气比热比；σ
i1
为进气道射流预冷装置前部分的总压恢复系数。
[0012]
优选地，所述风扇换算转速n
1r
通过风扇进口前目标温度t
t2_dem
和测量得到的风扇物理转速n1计算得到，所述发动机的进口空气流量w2通过风扇前总压p
t2
和目标温度t
t2_dem
计算得到。
[0013]
优选地，所述风扇换算转速n
1r
的计算公式为：
[0014][0015]
所述进口空气流量w2的计算公式为：
[0016][0017]
其中，σ
i2
为进气道射流预冷装置后部分的总压恢复系数。
[0018]
优选地，所述风扇前实际总温t
t2c
的计算公式为：
[0019][0020]
本技术的一种射流预冷发动机的喷流降温控制方法，利用飞机高度和飞行速度确定射流预冷装置来流的总温和总压，通过风扇换算转速和换算流量的对应关系确定风扇的进口空气流量，进而获得初始冷却介质流量，最后通过风扇后总温、风扇压比和风扇效率对初始冷却介质流量进行修正，得到更准确的风扇前实际总温；利用发动机固有的工作特性和常规发动机的机载测试参数，尽可能地通过已有参数或能够方便准确测量的参数，对总温、总压、进口空气流量和冷却介质流量进行计算，不需要考虑温度传感器和延迟和测量误差，对初始水量的给定进行更精确的计算，并利用含液态水量更小的风扇后的测试参数对喷水量进行修正，达到高精度的水控目的。
附图说明
[0021]
为了更清楚地说明本技术提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例。
[0022]
图1为背景技术中射流预冷装置结构示意图；
[0023]
图2为背景技术中射流预冷喷流控制原理示意图；
[0024]
图3为本技术整体流程示意图；
[0025]
图4为本技术射流控制方案控制原理示意图。
[0026]
1、射流预冷装置；2、总温传感器；3、风扇。
具体实施方式
[0027]
为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
[0028]
一种射流预冷发动机的喷流降温控制方法，对射流预冷系统进行分析可知，面向工程化应用的射流预冷系统控制必须要解决两个问题，一是温度传感器的延迟和射流预冷条件下温度测量误差大会导致发动机工作状态发生偏离，二是射流预冷工程化应用时需要在较少的测量参数下实现精度高、响应快的射流预冷系统控制。
[0029]
如图3-4所示，包括如下步骤：
[0030]
步骤s100，射流预冷装置前来流的总温t
t1
和总压p
t1
计算；
[0031]
优选地，通过飞机测量得到的飞行高度h和飞行速度ma0即可计算得到射流预冷装置前来流的总温t
t1
和总压p
t1
，计算公式为：
[0032][0033][0034]
式中，p0为环境静压；t0为环境静温；p
t1
为射流预冷装置前来流总压；t
t1
为射流预冷装置前来流总温；ma0为飞行器飞行马赫数；k为来流空气比热比；σ
i1
为进气道射流预冷装置前部分的总压恢复系数。
[0035]
由于采用飞行高度h和飞行速度ma0数据来计算射流预冷装置前来流的总温t
t1
和总压p
t1
，而非直接测量获得，一方面避免了温度测量的延迟问题，同时不受水雾影响，因此能够保证较大的测量精度。
[0036]
步骤s200，发动机的进口空气流量w2计算；
[0037]
在相同的控制规律下，发动机共同工作线是确定的，发动机的换算流量和换算转速存在对应关系，利用这一特性，能够通过发动机的物理转速等参数计算发动机的进口空气流量。
[0038]
优选地，发动机的进口空气流量的具体计算方法为：
[0039]
1)通过风扇进口前目标温度t
t2_dem
和测量得到的物理转速n1计算得到风扇换算转速n
1r
，具体的计算公式为：
[0040][0041]
2)根据发动机的工作特性，根据风扇换算流量w
2r
和换算转速n
1r
的对应关系计算得到风扇的换算流量w
2r
，具体公式为：
[0042]w2r
＝f(n
1r
)
[0043]
3)通过换算流量w
2r
、风扇前总压p
t1
和风扇进口前目标温度t
t2
dem计算得到风扇的进口空气流量w2，具体公式为；
[0044][0045]
其中，σ
i2
为进气道射流预冷装置后部分的总压恢复系数。
[0046]
采用该方法，不需要再进行进一步的测量即可直接计算出进口空气流量，计算精准，同时尽可能减少测耙数量，避免测量时产生的误差。
[0047]
步骤s300，初始冷却介质流量wc计算；
[0048]
根据风扇进口空气流量w2、射流预冷装置前来流的总温t
t1
和风扇进口前目标温度t
t2
dem计算初始冷却介质流量wc；具体公式为：
[0049]
wc＝f(w2,t
t1
,t
t2
dem)。
[0050][0051]
在前述步骤中已经测量出或计算出的各参数为基础，不增加额外的测量参数，从而能够获得准确的初始冷却介质流量wc。
[0052]
步骤s400，实际冷却介质流量计算。
[0053]
初始冷却介质流量在计算时引入了一些假设值(风扇进口前目标温度t
t2_dem
)和经验关系(n
2r
和w
2r
之间的关系)，可能会导致风扇前气流的温度偏离目标值t
t2_dem
，需要对其进行修正。
[0054]
优选地，实际冷却介质流量的计算方法为：
[0055]
1)气流经过风扇后，空气中的水滴会进一步蒸发或者附壁，空气中的液态水含量大幅减少，即风扇后总温t
t13
受到的水雾影响较小，测量精度相对较高；
[0056]
2)根据发动机工作特性，由风扇换算转速可计算得到风扇的总压压比πf和风扇效率ηf；
[0057]
3)根据风扇后总温t
t13
、总压压比πf和风扇效率ηf可重构得到风扇前实际总温t
t2c
；
[0058]
4)利用t
t2c
对冷却介质流量进行修正，得到实际冷却介质流量，从而使t
t2c
更加接近目标值t
t2_dem
。
[0059]
通过利用风扇后总温、风扇压比和风扇效率重构风扇前实际总温，从而能够对初始冷却介质流量进行修正，得到更准确的冷却介质流量。
[0060]
本技术利用发动机固有的工作特性和常规发动机的机载测试参数，尽可能地通过已有参数或能够方便准确测量的参数，对总温、总压、进口空气流量和冷却介质流量进行计算，不需要考虑温度传感器和延迟和测量误差，对初始水量的给定进行更精确的计算，并利用含液态水量更小的风扇后的测试参数对喷水量进行修正，达到高精度的水控目的，同时能够尽量地减少进气道中的测耙数量，不需要考虑测耙对流场的影响、测耙本身的结构和测试可靠性及安装空间，测量参数少，测量方便，计算结果精准。
[0061]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。