一种核心机试车台进气温度自动调节方法

李存

摘要：分析了核心机试车台加温加压进气试验时管网内部流动的换热特性，给出了进气温度自动调节的控制策略，研究得出影响进气温度调节过程的影响因素，为核心机加温加压试验过程的进气温度控制参数提供技术参考，缩短试验准备时间，提高试验效率。

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.

关键词：核心机试车台;加温加压进气;温度自动调节

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

中图分类号：V263.47                                 文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0030-03

0  引言

核心机试车台主要用于模拟核心机在整机状态下的进口环境条件，尽可能地逼近核心机真实工作状态。试验过程中，需模拟核心机对应整机状态下的不同工况需求，并且在一定流量、压力、温度范围内，确保进气压力、温度的控制精度。然而，由于进气管网在热气输送过程中存在较大的热损失[1]，在现有试验中必须花费大量的时间使流入试验段的气体温度达到试验要求，这样就会延长整个试验的周期，增加试验成本。本文针对核心机试车台进气系统管道进行换热过程分析，并给出进气温度调节的控制策略，分析影响进气温度调节过程的影响因素，为核心机加温加压试验过程的进气温度控制参数提供技术参考，提高试验效率。

1  核心机试车台设备组成与工艺原理

核心机试车台在开展加温加压进气试验时，由气源系统提供具有一定温度和压力的压缩空气，此压缩空气一部分经过水冷换热器冷却形成冷支路，另一部分不经过水冷换热器冷却形成热支路，通过自动调节冷、热支路空气的掺混比例实现进气温度调节，调温掺混后的压缩空气通过自动调压系统实现进气压力调节，完成调温和调压后的空气经过整流室后进入核心机，以满足核心机加温加压进气试验需求。

典型的核心机试车台工艺原理如图1所示。

2  建立进气系统物理模型

对于管道内部不存在热源的普通直管道，控制体内气体与金属管壁之間的热流量Q可以利用集总参数法对管道进行传热建模获得。考虑一根长为L、壁厚为d、内径为r0的圆管，假设圆管中的热传导方向沿径向，圆管的热传导系数为k，且无内热源。将圆管沿径向分成N+1 层薄壁圆管，中间N-1 层壁厚相等为Δr，最内层和最外层壁厚相等，且为中间各层壁厚的一半。rj表示第j 层薄壁圆管的内表面半径，其中下标j为0，1，2，…，N。进气管道分层建模结构示意图如图2所示[2][3]。

对于第0 层薄壁圆管，内侧管壁与管内的气流接触存在对流传热，外侧管壁与第1 层薄壁圆管存在热传导，则在Δt 时间内第0 层薄壁圆管能量守恒方程为：

3  进气温度自动控制策略

核心机进口温度的调节通过进气系统上游的温度控制模块实现，由于温度控制模块一般会离核心机进口存在一定距离，克服温度热惯性为实现核心机进口温度自动控制实现的关键点，此外，还需充分考虑相关因素对温度控制过程的影响，比如气源系统供气温度的变化导致热支路空气温度的变化、冷却水温度变化导致冷支路空气的变化、阀门工作特性、管道沿程热损失等。

考虑核心机加温加压试验进口温度调节的需求，核心机进口温度控制目标为自动化、调节时间短、控制精度高。核心机进气温度自动控制设计思路分为四个阶段：快速升温+理论目标值控制+热平衡稳定+闭环反馈调节。

①快速预热升温阶段：设定目标值后，热支路调节阀开大以增加热支路空气流量，对温度控制模块与核心机进口之间的管道及设备进行快速升温，充分预热。此时阀门持续开大直至核心机进口温度达到目标温度值。

②理论目标值控制阶段：当核心机进口温度达到目标温度值后，通过控制程序设计使得调温阀动作与目标温度匹配的理论阀门位置，定位到理想位置。但由于温度热惯性原因，快速预热升温阶段结束时，核心机进口温度会出现短时的超调情况。其中，目标计算阀位为：

 ③热平衡稳定阶段：当调温阀动作至与目标温度匹配的理论阀门位置后，稳定一段时间，待温度热平衡稳定，尽可能的消除热惯性对下一阶段闭环反馈调节的影响。

④闭环反馈调节阶段：调温阀基于核心机进口温度进入闭环反馈控制，主要采用PI控制。PI参数为调试试验过程中获得的对应不同温度调节工况下的最优PI值整定参数，以实现核心机进口温度高精度控制。

4  进气温度控制的影响因素分析

4.1 温度调节阀的工作特性

在整个进气温度调节过程中，理论目标值控制阶段的温度调节阀的阀位计算是否准确直接影响温度调节的时间。这是因为一旦进入反馈调节，当前温度与目标温度存在较大偏差时，反馈调节时间将会很长。

在温度调节过程中，温度调节阀采用蝶阀，其最佳调节区间为15～85%，假设热支路空气温度410K，冷支路空气温度300K，代入上式，可得当目标温度在316～393K时，可获得最佳的温度调节过程。

4.2 进气系统的热惯性

在管道内部会存在如导流栅隔、内前室、防尘网格等金属结构部件，这些部件与容腔内的空气直接接触，会从气流中吸收或向气流中释放一部分能量，导致系统存在明显的热惯性，从而给温度自动控制的实现带来巨大挑战。为解决温度热惯性与自动化调节的矛盾形成进气温度自动化调节过程设计思路：快速升温+理论目标值控制+热平衡稳定+闭环反馈调节，实现温度自动化调节，并通过开环和闭环控制相结合的方式提高温度调节效率。

4.3 目标温度对稳定时间的影响分析

由于进气流道内的设备元件储热效应，进气温度的建立和稳定过程需要一个过程，而这个过程直接与目标温度相关，目标温度越高时，首次达到目标温度和稳定调节的时间越长，此时，对稳态温度控制精度要求越高，所需的时间越长。不同工况下升温过程参数如表1所示。

不同目标温度和温差下目标温度的建立过程如图3所示，可见，目标温度越高，调节温差越大，所需温度调节时间越长。

4.4  进气系统沿程温损

核心机试车台进气系统的设备外部均进行了保温处理，但保温层的设置并不能完全消除进气系统管道和阀门等向外辐射或传导热量，造成进气管网存在一定的温度，直接影响核心机进口目标温度的控制。经调试验证，在不同工况进行温度监测和数据统计，通过建立数据库的方式，获得不同工况下对应的温损情况，在进行进气系统温度调节时进行人工修正，可大大缩短进气温度建立的时间，提高试验效率。

4.5 其他因素影响

进气温度自动调节的设计过程充分考虑相关因素的影响，包括冷热两股气流温度、冷却水温等，均会对进气温度调节过程产生影响。

5  进气温度控制调试验证结果

为验证某核心机试车台的进气温度自动调节控制逻辑，设定某一工况点：进气温度313K，进气流量分别调节至21.8kg/s和66kg/s。管道预热完成后，设定进气目标温度为313K，将进气流量调节至21.8kg/s，建立第1个验收工况点OP1（313K@21.8kg/s），进气温度可自动调节达到313±1.57K，历时3min，稳定2min后仍在压力控制精度范围内。将进气流量调节至66kg/s，建立第2个验收工况点OP2（313K@66kg/s），进气温度自动调节正常工作，持续稳定在313K附近，如图4和图5所示。

6  总结

本文对进气系统管道传热建模方法进行了介绍，重点分析了进气温度控制策略以及对应的影响因素，尤其是热惯性、阀门工作特性以及不同目标温度对进气温度调节的影响，为核心机加温加压试验过程的进气温度控制参数提供技术参考，缩短核心机试验准备时间，提高试验效率。

参考文献：

[1]杜鹤龄.航空发动机高空模拟[M].北京：国防工业出版社，2002：1-31.

[2]朱剑鋆，董葳，吴锋，等.高空台加温试验进气管网传热过程的计算分析[J].燃气涡轮试验与研究，2011（004）：10-14，24.

[3]陆宝富.高空台空气加热炉试验与研究[J].燃氣涡轮试验与研究，1995，8（2）：60-62.