通過壓力表監控壓力實現自制渦噴發動機自持的技術研究

本文針對互聯網自制渦噴發動機難以自持運行，提出了一種基于壓力表監控的壓力閉環控制系統。通過實時監測資質渦噴發動機關鍵部位的壓力參數(如壓氣機出口壓力、燃燒室壓力等)，結合控制算法，以實現發動機在不穩定工況下自持運行。實驗結果表明，該系統可有效預防喘振，降低人工干預需求，為自制低成本渦噴發動機的自主運行提供技術支撐。

一、系統設計

　　2.1 壓力監控節點選擇

　　自制渦噴發動機的壓力監控需覆蓋以下關鍵節點：

　　壓氣機出口壓力：反映壓縮效率，過高易導致喘振，過低則影響燃燒室進氣量。

　　燃燒室壓力：與燃油噴射量、燃燒穩定性直接相關，需實時監測以避免熄火或爆震。

　　渦輪出口壓力：用于計算排氣速度，間接反映推力輸出。

　　尾噴管壓力：監測排氣背壓，優化尾噴管設計以提高推力效率。

根據監控需求，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，用于壓氣機出口與燃燒室壓力監測。

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

　　布局原則：在關鍵節點布置壓力表或精巧型壓力變送器，通過數據融合變送器數據控制進氣壓力，渦輪轉速提高穩定性可靠性;傳感器安裝位置需避開高溫爆震燃燒區，采用冷卻通道或隔熱材料保護。

　　2.3 信號傳輸與處理

　　傳感器信號通過模擬開關切換至信號測量電路，經AD轉換器轉換為數字信號后傳輸至微控制器(MCU)。MCU運行以下算法：

　　自檢算法：定期對傳感器進行故障診斷，對比預設信號與實測信號，若偏差超過閾值則觸發報警。

　　動態濾波算法：采用卡爾曼濾波消除振動噪聲，提高信號穩定性。

　　壓力比計算：通過壓氣機出口壓力與進氣壓力之比(PR)，估算發動機壓縮效率。

二、自持控制策略

　　3.1 推力閉環控制

　　基于壓力比(PR)與主軸轉速反饋，動態調整燃油噴射量：

　　PR上升：表明壓縮效率提高，適當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。

　　轉速補償：當主軸轉速偏離目標值時，調整燃油噴射量以維持轉速穩定。

　　3.2 喘振預防與控制

　　當壓氣機出口壓力波動超過閾值時，系統執行以下操作：

　　放氣活門調節：打開放氣活門，降低壓氣機負荷，防止喘振發生。

　　導流葉片角度調整：改變導流葉片角度，優化氣流方向，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動機損壞。

　　3.3 故障隔離與容錯

　　當某傳感器失效時，系統執行以下操作：

　　冗余切換：自動切換至冗余傳感器，維持壓力監控。

　　模型預測：基于歷史數據與發動機模型，預測剩余傳感器數據，維持控制邏輯。

　　安全停機：當多傳感器失效或關鍵參數超出安全范圍時，觸發安全停機程序。

三、實驗驗證與結果分析

　　4.1 實驗平臺

　　搭建自制渦噴發動機實驗臺，包括：

　　發動機本體：軸流式渦噴發動機，推力范圍10-50N。

　　壓力監控系統：高精度壓阻式與耐高溫電容式壓力傳感器，數據采集卡，MCU控制器。

　　執行機構：電動放氣活門，伺服導流葉片，燃油電磁閥。

　　4.2 實驗結果

　　推力閉環控制：在地面臺架上，系統成功將推力波動范圍從±15%降低至±5%，提高了推力穩定性。

　　喘振預防：在加速工況下，系統提前0.3秒檢測到壓氣機出口壓力波動，觸發放氣活門調節，避免了喘振發生。

　　故障隔離：當某壓氣機出口壓力傳感器失效時，系統自動切換至冗余傳感器，并依據模型預測數據維持控制邏輯，實驗持續運行10分鐘未發生停機。

　　4.3 結果分析

　　實驗結果表明，基于壓力表監控的壓力閉環控制系統可有效提高自制渦噴發動機的自持運行能力。具體體現在：

　　推力穩定性提升：通過實時調整燃油噴射量，降低了推力波動范圍。

　　喘振預防能力增強：通過動態調節放氣活門與導流葉片，避免了喘振發生。

　　故障容錯能力提高：通過冗余傳感器與模型預測，提高了系統的可靠性。

四、結論與展望

　　本文提出了一種基于壓力表及精巧型壓力變送器監控的壓力閉環控制系統，以實現自制渦噴發動機的自持運行。通過上述技術路徑，自制渦噴發動機的自持成功率將顯著提升，為低成本娛樂用航空動力系統提供技術支撐。