一种用于时变来流下燃烧研究的调控系统及方法

本发明涉及发动机燃烧特性试验，尤其涉及一种用于时变来流下燃烧研究的调控系统及方法。

背景技术：

1、加力、亚燃冲压和多模态冲压燃烧室在飞行姿态改变或发动机工作模态转换过程中，其进口流场存在的时变状态，冲压发动机燃烧室和涡轮发动机加力燃烧室常常处于进口气动热力参数急剧变化的工作状态，组合发动机超级燃烧室模态转换过程中各物理参数更是具有极强的时变特性，建设可以模拟上述动态变化过程的试验系统可以为开展先进冲压发动机燃烧室、涡轮发动机加力燃烧室、组合动力燃烧室相关的试验研究，目前相关的试验系统多采用手动阀门或者电动阀门进行单一参数调节，无法实现多参数匹配的时变调控特性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种用于时变来流下燃烧研究的调控系统及方法，以解决燃烧试验研究中的流量调控问题，在发动机工作状态改变的过程中，燃烧室进口状态时常为时变来流条件，本发明可提供的时变调控方法可有效的创造出时变来流的试验条件。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种用于时变来流下燃烧研究的调控系统，包含空气压缩机、稳压罐、第一至第六电动调节阀、手动流量调节阀、空气流量计、500℃级电加热器、电动蝶阀、第一至第二安全阀、200℃级电加热器、燃气加温器、空气掺混器、温度传感器、第一至第三压力传感器、燃烧室、真空罐、真空压力表、真空泵、燃油油箱、第一至第三燃油泵、第一至第三电动出油阀、第一至第三手动出油阀、第一至第三电动回油阀、第一至第三手动回油阀、第一至第三燃油流量计、以及第一至第三供油压力表；

4、所述稳压罐包含一个进口、一个压力测点和一个出口；

5、所述空气掺混器包含第一至第三进口、以及一个出口，用于第一至第三进口进入的空气进行掺混后从出口排出；

6、所述燃气加温器，包含一个空气进口、一个空气出口和一个燃油进口，用于对从空气进口进入的空气进行加热后从空气出口排出；

7、所述燃烧室包含一个空气进口、一个空气出口、第一燃油进口和第二燃油进口；

8、所述燃油油箱包含第一至第三进口、以及第一至第三出口；

9、所述真空罐包含一个空气进口、一个压力测点、第一空气出口和第二空气出口；

10、所述空气压缩机的进口接外界空气，出口和所述稳压罐的进口管道相连；

11、所述稳压罐的出口分别和第一电动调节阀、第二电动调节阀、手动流量调节阀、空气流量计的一端管道相连，所述第一电动调节阀、第二电动调节阀、手动流量调节阀的另一端均接外界空气，所述空气流量计的另一端分别和第三电动调节阀的一端、第四电动调节阀的一端、第五电动调节阀的一端、第二安全阀的入口管道相连；

12、所述第一压力传感器设置于稳压罐的压力测点处；

13、所述第三电动调节阀的另一端、500℃级电加热器、电动蝶阀的一端依次管道相连；

14、所述电动蝶阀的另一端和所述空气掺混器的第一进口管道相连；

15、所述第四电动调节阀的另一端分别和所述空气掺混器的第二进口、第一安全阀的入口管道相连；

16、所述第五电动调节阀的另一端、200℃级电加热器、燃气加温器空气进口依次管道相连；

17、所述空气掺混器的第三进口和所述燃气加温器出口管道相连，空气掺混器的出口和燃烧室的空气进口管道相连；

18、所述温度传感器、第二压力传感器和第三压力传感器均设置在空气掺混器出口和燃烧室空气进口之间的管道内，其中，温度传感器用于测量其所在处的温度，第二压力传感器用于测量其所在处的静压，第三压力传感器用于测量其所在处的总压；

19、所述真空罐的空气进口和所述燃烧室的空气出口管道相连，第一空气出口和所述第六电动调节阀的一端管道连接，第二空气出口和所述真空泵的一端管道相连；

20、所述第六电动调节阀的另一端、真空泵的另一端均接外界空气；

21、所述真空压力表设置于所述真空罐的压力测点处，用于测量其内压力；

22、所述燃油油箱的第一至第三出口分别和所述第一至第三燃油泵的进口一一对应管道相连；

23、所述第一燃油泵的出口分别和第一电动出油阀的一端、第一电动回油阀的一端管道相连；

24、所述第一电动出油阀的另一端、第一手动出油阀、燃气加温器的燃油进口依次管道相连；

25、所述第一电动回油阀的另一端、第一手动回油阀、燃油油箱的第一进口依次管道相连；

26、所述第一燃油流量计、第一供油压力表均设置在第一手动出油阀和燃气加温器的燃油进口之间的管道内，分别用于测量其所在处的燃油流量和油压；

27、所述第二燃油泵的出口分别和第二电动出油阀的一端、第二电动回油阀的一端管道相连；

28、所述第二电动出油阀的另一端、第二手动出油阀、燃烧室的第一燃油进口依次管道相连；

29、所述第二电动回油阀的另一端、第二手动回油阀、燃油油箱的第二进口依次管道相连；

30、所述第二燃油流量计、第二供油压力表均设置在第二手动出油阀和燃气加温器的燃油进口之间的管道内，分别用于测量其所在处的燃油流量和油压；

31、所述第三燃油泵的出口分别和第三电动出油阀的一端、第三电动回油阀的一端管道相连；

32、所述第三电动出油阀的另一端、第三手动出油阀、燃烧室的第一燃油进口依次管道相连；

33、所述第三电动回油阀的另一端、第三手动回油阀、燃油油箱的第三进口依次管道相连；

34、所述第三燃油流量计、第三供油压力表均设置在第三手动出油阀和燃气加温器的燃油进口之间的管道内，分别用于测量其所在处的燃油流量和油压。

35、作为本发明一种用于时变来流下燃烧研究的调控系统进一步的优化方案，第一电动调节阀的管路通径采用dn150，第二、第三电动调节阀的管路通径采用dn100。

36、本发明还公开了一种该用于时变来流下燃烧研究的调控系统的空气流量调控方法，包含以下步骤：

37、步骤a.1），操作人员设置目标空气流量值；

38、步骤a.2），空气流经空气流量计后，空气流量计实时测量管道内的实际空气流量；

39、步骤a.3），将空气流量计反馈的实际空气流量和设置的目标空气流量值进行差值计算，并判断实际空气流量和目标空气流量值的差值是否大于等于预设的第一流量阈值；

40、步骤a.3.1），如果实际空气流量和目标流量值的差值大于等于预设的差值阈值，进入粗调阶段：控制第一电动调节阀的开度增加预设的第一开度阈值；

41、步骤a.3.2），如果实际空气流量和目标流量值的差值小于预设的差值阈值，进入精调阶段：控制第二电动调节阀的开度增加预设的第二开度阈值，所述预设的第二开度阈值小于预设的第一开度阈值；

42、步骤a.4），重复执行步骤a.3），直至实际空气流量和目标空气流量值的差值小于等于预设的第二流量阈值。

43、本发明还公开了一种该用于时变来流下燃烧研究的调控系统的空气时变流量调节方法，包含以下步骤：

44、步骤c.1），开启空气压缩机，关闭第一至第六电动调节阀和手动流量调节阀，此时空气进入稳压罐内，第一压力传感器测量其内的实际压力值；

45、步骤c.2），将第一压力传感器反馈的实际压力值和预设的目标压力值进行比较；

46、步骤c.2.1），若实际压力值小于目标压力值且目标压力值和实际压力值的差值大于预设的差压阈值，控制第五调节阀减小预设的第五开度阈值；

47、步骤c.2.2），若实际压力值大于目标压力值且实际压力值和目标压力值的差值大于预设的差压阈值，控制第五调节阀增大预设的第五开度阈值；

48、步骤c.3），重复步骤2），直至实际压力值和目标压力值的差值的绝对值小于等于预设的差压阈值，完成压力调节，本例中预设的第五开度阈值为10%；

49、步骤c.4），将空气流量计反馈的实际空气流量和预设的目标空气流量值进行差值计算，并判断实际空气流量和目标空气流量值的差值是否大于等于预设的第一流量阈值；

50、步骤c.4.1），如果实际空气流量和目标流量值的差值大于等于预设的差值阈值，进入粗调阶段：控制第一电动调节阀的开度增加预设的第一开度阈值；

51、步骤c.4.2），如果实际空气流量和目标流量值的差值小于预设的差值阈值，进入精调阶段：控制第二电动调节阀的开度增加预设的第二开度阈值，所述预设的第二开度阈值小于预设的第一开度阈值；

52、步骤c.5），重复执行步骤c.4），直至实际空气流量和目标空气流量值的差值小于等于预设的第二流量阈值，完成空气流量调节，此时通过第二压力传感器、第三压力传感器和温度传感器获得空气的静压、总压和温度并记录；

53、步骤c.6），控制第五电动调节阀使其增加预设的第六开度阈值，实现加速过程的时变流量调节，本例中预设的第二开度阈值为20%；

54、步骤c.7），通过第二压力传感器、第三压力传感器和温度传感器获得空气的静压、总压和温度的变化，结合气体状态方程和连续性方程计算得到实际的进口空气流量随时间的变化率；

55、步骤c.8），将预设的目标压力值和空气压缩机的最大压力值进行比较；

56、步骤c.8.1），若预设的目标压力值小于空气压缩机的最大压力值，将计算得到的实际空气流量变化率和目标空气流量变化率值进行比较；

57、步骤c.8.1.1），若实际空气流量变化率小于目标空气流量变化率值且目标空气流量变化率值和实际空气流量变化率的差值大于预设的空气流量变化率差值阈值，调整预设的目标压力值使其增大预设的第一压力阈值，跳转执行步骤c.1）；

58、步骤c.8.1.2），若实际空气流量变化率大于目标空气流量变化率值且实际空气流量变化率和目标空气流量变化率值的差值大于预设的空气流量变化率差值阈值，调整预设的目标压力值使其减少预设的第一压力阈值，跳转执行步骤c.1）；

59、步骤c.8.2），若预设的目标压力值大于等于空气压缩机的最大压力值且实际空气流量变化率和目标空气流量变化率值的差值大于预设的空气流量变化率的差值阈值，关闭第五电动调节阀，采用第三电动调节阀进行时变调节：

60、步骤c.8.2.1），将预设的目标压力值调整至小于空气压缩机的最大压力值；

61、步骤c.8.2.2），开启空气压缩机，关闭第一至第六电动调节阀和手动流量调节阀；

62、步骤c.8.2.3），将第一压力传感器反馈的实际压力值和目标压力值进行比较；

63、步骤c.8.2.3.1），若实际压力值小于目标压力值且目标压力值和实际压力值的差值大于预设的差压阈值，控制第三调节阀减小预设的第七开度阈值；

64、步骤c.8.2.3.2），若实际压力值大于目标压力值且实际压力值和目标压力值的差值大于预设的差压阈值，控制第三调节阀增大预设的第七开度阈值；

65、步骤c.8.2.4），重复步骤c.8.2.3），直至实际压力值和目标压力值的差值的绝对值小于等于预设的差压阈值，完成压力调节，本例中预设的第七开度阈值为10%；

66、步骤c.9），将空气流量计反馈的实际空气流量和预设的目标空气流量值进行差值计算，并判断实际空气流量和目标空气流量值的差值是否大于等于预设的第一流量阈值；

67、步骤c.9.1），如果实际空气流量和目标流量值的差值大于等于预设的差值阈值，进入粗调阶段：控制第一电动调节阀的开度增加预设的第一开度阈值；

68、步骤c.9.2），如果实际空气流量和目标流量值的差值小于预设的差值阈值，进入精调阶段：控制第二电动调节阀的开度增加预设的第二开度阈值，所述预设的第二开度阈值小于预设的第一开度阈值；

69、步骤c.10），重复执行步骤c.9），直至实际空气流量和目标空气流量值的差值小于等于预设的第二流量阈值，完成空气流量调节，此时通过第二压力传感器、第三压力传感器和温度传感器获得空气的静压、总压和温度并记录；

70、步骤c.11），控制第三电动调节阀，增加预设的第六开度阈值，实现加速过程的时变流量调节；

71、步骤c.12），通过第二压力传感器、第三压力传感器和温度传感器获得空气的静压、总压和温度的变化，结合气体状态方程和连续性方程计算得到实际的进口空气流量随时间的变化率；

72、步骤c.13），将计算得到的实际空气流量变化率和目标空气流量变化率值进行比较；

73、步骤c.13.1），若实际空气流量变化率小于目标空气流量变化率值且目标空气流量变化率值和实际空气流量变化率的差值大于预设的空气流量变化率差值阈值，调整预设的目标压力值使其增大预设的第一压力阈值，跳转执行步骤c.8.2.2）；

74、步骤c.13.2），若实际空气流量变化率大于目标空气流量变化率值且实际空气流量变化率和目标空气流量变化率值的差值大于预设的空气流量变化率差值阈值，调整预设的目标压力值使其减少预设的第一压力阈值，跳转执行步骤c.8.2.2）。

75、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

76、1. 本发明能够通过稳压罐稳定管路上游压力，通过电动调节阀的阀门开度变化实现时变来流条件，通过调节稳压罐的压力和改变支路通径，实现不同的时变流量变化率；

77、2. 本发明能够实现空气流量的反馈控制，结合不同通径的放气支路和电动放气阀，通过pid控制自动调节空气流量值目标设定值，实现空气流量的宽量程高精度快速响应调节；

78、3. 本发明能够耦合出油和回油控制的油路系统，通过pid控制自动调节燃油流量值目标设定值，实现燃油流量快速响应调节；

79、4. 本发明能够通过耦合出油和回油控制的油路系统实现燃油流量的时变调节，并将其与空气流量调节相耦合，实现燃油流量与空气流量的协同调节，通过此方法可保持燃气加温器在时变调控过程中油气比保持不变，保持时变调控过程中的温度恒定。