矢量喷管静推力精确测量试验技术研究

邓祥东, 宋孝宇, 季军, 郭大鹏, 李鹏

邓祥东, 宋孝宇, 季军, 郭大鹏, 李鹏. 矢量喷管静推力精确测量试验技术研究[J]. 实验流体力学, 2018, 32(1): 90-97. DOI: 10.11729/syltlx20160187
引用本文: 邓祥东, 宋孝宇, 季军, 郭大鹏, 李鹏. 矢量喷管静推力精确测量试验技术研究[J]. 实验流体力学, 2018, 32(1): 90-97. DOI: 10.11729/syltlx20160187
Deng Xiangdong, Song Xiaoyu, Ji Jun, Guo Dapeng, Li Peng. Research on static thrust accurate measurement testing technology of vectoring nozzle[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2018, 32(1): 90-97. DOI: 10.11729/syltlx20160187
Citation: Deng Xiangdong, Song Xiaoyu, Ji Jun, Guo Dapeng, Li Peng. Research on static thrust accurate measurement testing technology of vectoring nozzle[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2018, 32(1): 90-97. DOI: 10.11729/syltlx20160187

矢量喷管静推力精确测量试验技术研究

详细信息
    作者简介:

    邓祥东(1985-), 男, 湖北宜昌人, 硕士, 工程师。研究方向:高速动力模拟、推力矢量试验技术。通信地址:辽宁省沈阳市皇姑区阳山路1号701信箱(110034)。E-mail:252864809@qq.com

    通讯作者:

    邓祥东, E-mail:252864809@qq.com

  • 中图分类号: V211.73

Research on static thrust accurate measurement testing technology of vectoring nozzle

  • 摘要: 详细论述了矢量喷管静推力精确测量试验技术的原理、所需设备以及试验方法,该技术主要模拟喷管模型喷流落压比以及出口马赫数相似参数,将模型安装在推力测量平台的真空试验舱中,同时利用外式天平进行矢量喷管气动力的精确测量。试验数据经过流量修正、安装姿态修正、基于橡胶膜片的空气桥系统对于天平的压力影响以及流量影响修正之后,即可以得到较为精确的矢量喷管静推力值、推力系数以及矢量角等参数。试验结果表明:在推力测量平台进行矢量喷管静推力测量试验,轴向、法向推力系数以及矢量角随落压比的变化规律正确,试验精度满足国军标要求,达到型号应用水平。
    Abstract: The principle, test bench and method of the vectoring nozzle static thrust measurement experimental technology are introduced in this paper. The primary simulation parameters are the nozzle pressure ratio (NPR) and the Mach number at the nozzle exhaust. The nozzle model is installed in the vacuum cabin of the thrust test bench, and aerodynamic forces of the nozzle model are measured accurately by the wall balance. After the mass flow correction, installation position correction, and the correction of pressure effect and mass flow effect to the balance caused by the air bridge system based on the rubber membrane, the exact values of the vector nozzle static thrust, thrust coefficient and vector angles etc. are obtained. The experimental results show that the axial thrust coefficient, the normal thrust coefficient and the variation trend of vector angle with NPR, which is measured in the vector nozzle static thrust measurement experiment using the thrust test bench are correct, the test results precision can satisfy the GJB requirements for force-test precision, and the technique can be applied in project test.
  • 结冰风洞是飞行器结冰和防除冰研究的主要地面试验设备。风洞试验中,在一定的内部环境温度、气流速度和压力条件下,结冰风洞利用喷雾系统在试验段模拟云雾环境。云雾环境的重要参数包括液态水含量、平均水滴直径和水滴温度,这些参数均是由喷雾系统通过控制一定的供水压力、供水温度、供气压力、供气温度、喷嘴开启数量和喷嘴布局来实现的。因此,喷雾系统的设计及精确控制至关重要,也是难点。当今世界有代表性的结冰风洞有4座:美国NASA格林研究中心结冰研究风洞(IRT)、意大利航天研究中心结冰风洞、美国LeClerc结冰试验室的考克斯(Cox)结冰风洞和中国CARDC的结冰风洞。每座风洞都有一套复杂的喷雾系统,然而,在国内外公开发表的论文中,有不少关于云雾参数方面的研究,但很少有对形成云雾参数的喷雾系统设计及控制进行研究。本文介绍了某座结冰风洞的喷雾系统,并针对该喷雾系统组成复杂、控制回路较多、存在各种耦合关系、控制难度很大等特点,开展了控制方法研究。

    喷雾系统主要由以下几部分组成:供水系统、供气系统、喷雾架和控制系统,系统原理如图 1所示。

    图  1  喷雾系统原理图
    Fig.  1  Principle of spraying system

    供水系统主要由储水箱、加压水泵组、水加热器和电动调节阀等组成。储水箱内的水经过水泵组加压进入加热器,然后分为2路,一路进入喷雾架,另一路经主路调节阀回水箱。供水系统提供的热水进入喷雾架后,分为多个支路分别进入喷雾耙。供水系统需要实现供水主路压力、温度的精确控制。

    供气系统由配气站供气,气体经过加热器和电动调节阀达到指定温度和压力,然后进入喷雾耙。供气系统需要实现供气压力、温度的精确控制。

    喷雾架由多排竖直安装的喷雾耙组成,喷雾耙布局如图 2所示。每个喷雾耙布置有一条供水管路和一条供气管路。每条供水管路入口处安装一台电动调节阀,起到减压和节流的作用;每条供水管路出口处安装一台电动调节阀,用于供水压力的精确调节。电动调节阀布局如图 3所示。

    图  2  喷嘴耙布局
    Fig.  2  Spraying rakes distribution
    图  3  调节阀布局
    Fig.  3  Regulating valves distribution

    每个喷雾耙上安装几十只喷嘴,共有上千只喷嘴,喷嘴布局如图 4所示。每个喷嘴均有单独的供水、供气管路,由电磁阀控制水路的开闭,水和气在喷嘴内混合后喷出。喷雾系统通过控制电磁阀开启数量、喷嘴布局,以及喷嘴入口的水压、水温、气压和气温获得满足试验要求的云雾环境。

    图  4  喷嘴布局
    Fig.  4  Nozzles distribution

    控制系统采用一套S7-400PLC作为主控制器,多台S7-300PLC作为现场设备控制器。系统按照功能分为3大块:一是喷雾耙控制,主要实现洞内喷雾耙上设备的控制和监测;二是供水供气主路控制,主要实现供水供气主路压力温度控制;三是通信部分,主要实现喷雾控制系统各控制器之间的通信。

    喷雾系统的供水压力、供水温度、供气压力、供气温度及喷嘴类型直接影响着云雾环境的平均水滴直径和水滴温度。在喷雾系统预先研究中,空气动力专业技术人员对喷雾系统所用喷嘴进行了详细的性能研究。为了实现结冰风洞云雾环境模拟,对水路和气路的温度和压力提出相应的要求。

    (1) 水路。压力:0.01~1.5MPa,控制精度如表 1所示;温度:20℃至90℃,控制精度:±2℃。主路最大供水流量为10kg/s,喷嘴最大喷出水流量为4kg/s。

    表  1  供水供气压力控制精度要求
    Table  1  Requisite pressure accuracy for water and air supply
    Water pressure range/MPa Requisite accuracy/% Air pressure range/MPa Requisite accuracy/%
    0.01~0.5 5 0.01~0.5 3
    0.5~1.5 3 0.5~1.5 2
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    (2) 气路。压力:0.01~1.5MPa,控制精度如表 1所示;温度:20℃至180℃,控制精度:±2℃。主路最大供气流量为8kg/s。

    进行结冰试验时,风洞处于低温状态,需要尽可能减少不符合控制指标要求的水雾量。为此,要求喷雾指令下达后,喷雾系统在小于5s的时间内达到给定的喷雾稳定工作状态,即喷嘴入口水、气压力及温度达到稳定工作状态的过渡过程响应时间小于5s。

    供水系统的压力控制回路包括1个主回路和多个并联的支回路。主回路由水泵组和主路调节阀控制;每个支路的喷嘴入口压力通过该支路前端的入口调节阀和后端的出口调节阀单独控制。

    喷嘴入口压力调节范围是0.01~1.5MPa,超过了单个调节阀的可调节范围。因此,需要通过调节水泵流量、入口调节阀开度和出口调节阀开度来实现喷嘴入口压力大范围调节。对于某个工作压力,可以由不同的水泵流量、入口和出口调节阀开度组合获得,但三者同时调节,存在严重的相互干扰问题。另外,调节任何支路的入口调节阀开度,都会影响主路压力,进而影响其他支路压力,也造成其他支路入口调节阀的被动调节。由于并联支路较多,并具有一定的高度差,存在非常严重的耦合问题,这将很难实现各支路压力的精确控制。

    针对以上分析,需要优化控制方法,尽量避免多变量输入,同时解决主路及各支路之间的耦合问题。为此,供水主路中,给定2台水泵的转速,实现主路供水流量控制;主路回水调节阀闭环控制,实现主路供水压力控制。多个并联支路中,入口调节阀预置固定开度,对各支路起到了节流、减压,并隔离相互影响的作用;出口调节阀先预置开度,减小支路内压力波动,然后再通过闭环微调实现各支路压力的精确控制。喷雾试验时,在电磁阀打开瞬间,入口调节阀开度不变,根据喷嘴喷水量,出口调节阀在喷雾瞬间补偿到相应开度,然后通过闭环微量调节出口调节阀开度,完成喷雾试验时的压力控制。这种采用入口调节阀预置和出口调节阀先快速预置后闭环调节的策略解决了多个并联支路存在的压力耦合问题,使系统稳定时间达到5s以内。

    在以上控制方法中,水泵转速、调节阀开度等参数的预置是实现供水压力精确控制的关键。下面针对供水系统的参数预置进行分析研究,并给出相应的公式。

    系统采用2台水泵并联供水,通过变频电机驱动,其扬程(H)、流量(Q)和输出压力(p)均会随电机的转速(n)而改变,公式如下:

    (1)

    (2)

    式中:下标为n表示泵的额定值;下标为x表示泵的实际值。

    水泵的额定扬程(Hn)、额定流量(Qn)和额定转速(nn)均可以从厂家样本资料中获得。根据喷雾用水的压力范围,分段设定水泵转速,具体如表 2所示,通过变频电机调速实现水泵转速控制。

    表  2  水泵转速设置
    Table  2  Setting rotating speed of bump
    Water pressure range/MPa Rotating speed of bump/(r·min-1) Number of bump
    0.01~0.1 1200 1
    0.1~0.2 1500 1
    0.2~0.3 2000 1
    0.3~0.5 2500 1
    0.5~0.8 1500 2
    0.8~1.2 2000 2
    1.2~1.5 2500 2
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    系统供水主回路压力损失包括沿程管路压力损失、局部压力损失和流经设备引起的压降。沿程压力损失Δpf公式如下:

    (3)

    式中:λ为沿程阻力系数;L为圆管的沿程长度;d为圆管的内径;υ为管内平均流速;ρ为流体密度。

    一般局部压力损失Δpr公式如下:

    (4)

    式中:ξ为局部阻力系数。

    经过分析计算,主路压力损失约为0.18MPa,相邻喷雾耙之间压降为0.0046MPa。则第i个喷雾耙前端调节阀入口压力pai为:

    (5)

    对于喷雾耙后端调节阀,分析方法同上,初步估算,喷雾架出口处的压力为0.045MPa。则第i个喷雾耙后端调节阀出口压力pbi为:

    (6)

    调节阀均为等百分比流量特性(对数流量特性),有以下公式:

    (7)

    式中:Kvmax为调节阀全开时的流量系数;R为调节阀的可调范围或可调比;x为调节阀开度。

    通过调节调节阀开度来实现系统流量或压力的调节,其流量公式为:

    (8)

    式中:p1为阀前压力;p2为阀后压力。

    根据前面的分析可得,第i个喷雾耙入口调节阀的开度xai为:

    (9)

    i个喷雾耙出口调节阀的开度xbi为:

    (10)

    在实际的系统控制中,先通过上面计算公式给出了每只调节阀的预置开度,经过调试并对调节阀的实际预置开度进行了微调。对于不同的供水压力,均有不同的调节阀开度,由于状态繁多,在此不一一列出。

    供水系统温度调节采用循环加热储存模式和精确升温供水模式相结合的方式。循环加热储存模式用于前期试验准备阶段,通过将水在热水箱和加热器间循环流动,逐渐升温至接近工况温度存放;精确升温供水模式用于喷雾系统运行时,精确加热至所需温度后进入喷嘴喷出。2种模式通过二位三通电动球阀进行切换。采用上述控制策略,可大幅减小加热器配置功率。

    供水系统电加热器功率共500kW,分为5组,其中2组固定功率,3组可调功率。温度控制系统输出4~20mA信号给周波控制器,周波控制器调控固态继电器的输出从而控制加热器的输出功率。

    电加热器的水温控制传递函数G(s)为:

    (11)

    采用基于水流量的变参数PID控制算法实现水温的精确控制,其控制原理如图 5所示。

    图  5  变参数PID控制原理
    Fig.  5  Principle of variable parameter PID

    图 5v(t)为流量输入信号,r(t)为设定出水温度信号,u(t)为控制量输出信号,y(t)为实际出水温度信号。通过主路上流量计反馈的水流量,确定不同水流量下PID参数的选取。

    气路压力受温度影响大,而且压力调节范围较宽,采用2个并联的调节阀实现压力调节,主路大调节阀用于大流量下的快速开度预置和压力粗调,旁路小调节阀用于压力精确控制。

    供气电加热系统采用一个PTC材料电加热器和一个电热管式加热器串联的方式实现温度控制。一级PTC材料电加热器总功率为500kW,分为5组,可实现单独控制,通过调节开关数量,实现气体初步升温。二级电加热管式加热器总功率为200kW,分为2组,可调功率,工作方式与水路电加热器相同。

    由于气体经加热器升温后压力会随之变化,温度和压力之间为耦合关系,需要优化控制策略,保证供气系统压力和温度达到设定值。考虑到气路压力控制调节速度快,温度调节速度慢,在温度调节的过程中,快速地进行压力跟随控制,减小了压力温度的相互影响。

    根据所需供气压力,先预置主路大调节阀开度,然后进行闭环粗调,当供气压力的控制精度优于5%时,大调节阀开度固定,切换到小调节阀进行压力的精确控制。对于旁路小调节阀,采用变比例系数快速PID调节方法实现供气压力精确控制,最终压力控制精度优于2%。PID调节的比例系数为系统偏差的函数,公式为:

    (12)

    式中:e(k)为采样后得到的偏差值;KpmaxKpmin为最大、最小比例系数;γp为换算系数。

    由上式可知,系统偏差大时,比例系数大些,变化也较大;而偏差小时,比例系数小些,变化也较缓慢。在接近给定值时,比例系数基本不变。因此,变比例系数PID调节方法,可提高调节速度,并防止因接近给定值时,比例系数变化过大而引起控制品质的下降。

    经过对供气电加热系统的特性分析,一、二级加热器相互独立,单独控制,无耦合关系。一级加热器只进行加热单元的开关控制,根据所需加热温度的高低,选择开启加热单元的组数。二级电加热管式加热器采用模糊自适应PID控制方法来实现供气温度的精确控制。模糊自适应PID的基本结构如图 6所示。

    图  6  模糊自适应PID的基本结构
    Fig.  6  Schematic of fuzzy adaptive PID control

    模糊控制器所完成的功能是根据温度误差e与误差变化速度ec对PID控制器的3个参数KpKiKd进行在线自整定,以实现PID参数的自适应调整,提高控制器性能。PID控制器参数的具体表达式为:

    (13)

    设定水气压力和温度(供水压力0.3MPa,供气压力0.33MPa,供水温度80℃,供气温度100℃),喷雾试验时800只喷嘴电磁阀同时开启。在试验段内,利用冰刀和相位多普勒干涉仪分别测量液态水含量和平均水粒直径。

    耙1~20水路压力如图 7所示,耙1~20水路压力控制精度如图 8所示。电磁阀打开瞬间,水路压力有一个较大的下降,经过快速调节后压力稳定。试验数据表明,电磁阀开启3s后,水路压力控制精度稳定到4%以内,满足此压力下控制精度为5%的技术指标要求。耙1~20水路温度如图 9所示,水路温度稳定在79℃~81℃之间,满足温度控制精度为±2℃的技术指标要求。

    图  7  耙1~20水路压力(0.3MPa)
    Fig.  7  Water pressure for 1~20 spray rake(0.3MPa)
    图  8  耙1~20水路压力控制精度
    Fig.  8  Water pressure control precision for 1~20 spray rake
    图  9  耙1~20水路温度
    Fig.  9  Water temperature for 1~20 spray rake

    耙1~20气路压力如图 10所示,耙1~20气路压力控制精度如图 11所示。电磁阀打开时,水进入喷嘴混合腔,反作用于气路,造成气路压力增大,经过快速调节后,气路压力稳定。试验数据表明,电磁阀开启3s后,气路压力控制精度稳定到1.5%以内,满足此压力下控制精度为3%的技术指标要求。耙1~20气路温度如图 12所示,气路温度稳定在98℃~102℃之间,满足温度控制精度为±2℃的技术指标要求。

    图  10  耙1~20气路压力(0.33MPa)
    Fig.  10  Air pressure for 1~20 spray rake(0.33MPa)
    图  11  耙1~20气路压力控制精度
    Fig.  11  Air pressure control precision for 1~20 spray rake
    图  12  耙1~20气路温度
    Fig.  12  Air temperature for 1~20 spray rake

    上述过程重复3次,喷雾指令下达后,喷雾系统均在小于5s的时间内达到给定的喷雾稳定工作状态。通过对云雾环境参数进行测试,云雾粒子平均水滴直径均为25μm,液态水含量为1.1g/m3(在67m/s风速下),数据重复性较好。由于现有的测试设备性能较差,以上数据可能存在较大误差,后期将购买LWC-200(液态水含量热线风速仪)和ADA(机载液滴分析仪),对相关数据进行复测。另外,对于液滴温度、浓度和粒径分布等其他云雾参数的测量还在研究之中。由于本文主要针对喷雾系统控制方法进行研究,仅对云雾参数的测量方法和测量结果作一简要介绍,后期对结冰风洞喷雾系统云雾参数进行系统深入地研究后,再另行撰文详述。

    喷雾系统作为结冰风洞核心配套设备,组成结构复杂,所属设备类型多、数量庞大,控制回路多且相互耦合。针对喷雾系统的这种特点,给出了相应的解决方法和控制策略。具体内容总结如下:

    (1) 喷雾供水系统由水泵和调节阀组成多个串并联回路,实现了喷雾供水系统宽范围、高精度的压力控制。

    (2) 喷雾供水系统采用入口调节阀预置和出口调节阀先快速预置后闭环调节的策略解决了多个并联支路存在的压力耦合问题,使系统稳定时间达到5s以内。

    (3) 喷雾供水系统采用循环加热和变参数PID精确调温结合的方式,大大减小了加热器配置功率,实现了水温精确控制。

    (4) 喷雾供气系统采用模糊自适应PID调温、变比例系数快速PID调压的控制策略解决了气体温度大滞后及温度压力耦合的问题,实现了供气温度压力的精确控制。

    经过现场调试,系统实际性能达到了预定指标,满足技术设计要求。

  • 图  1   S4B平台结构示意图

    Fig.  1   Sketch map of S4B test bench's construction

    图  2   喷管性能试验结构示意图

    Fig.  2   Construction of nozzle characteristics testing

    图  3   喷管性能试验原理图

    Fig.  3   Principle of nozzle characteristics testing

    图  4   推力测量平台总体结构

    Fig.  4   Construction of thrust testing bench

    图  5   推力测量平台实物照片

    Fig.  5   Photograph of thrust testing bench

    图  6   临界流文氏管在平台内的安装照片

    Fig.  6   Photograph of critical Venturi nozzle installed in thrust testing bench

    图  7   CLJ流量计修正曲线及重复性数据

    Fig.  7   Repetition and modified curve of CLJ flow meter

    图  8   无流动状态下纵向三元的压力修正曲线

    Fig.  8   Modified curve of pressure affection of bellows system

    图  9   流动状态下纵向三元的流量影响修正曲线

    Fig.  9   Modified curve of mass-flow affection of bellows system

    图  10   推力系数随落压比的变化规律

    Fig.  10   Thrust coefficients from the change of NPR

    表  1   相对位置偏差结果

    Table  1   Position error results

    Y/mm Z/mm α/(°) β/(°) γ/(°)
    流量校准试验 0 0 0.12 0.16 0.19
    喷管静推力试验 0 0 0.12 0.17 0.19
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    表  2   光天平及带空气桥天平精准度

    Table  2   Calibration results of two balances

    Y MZ X
    设计载荷加载
    载荷/(N, N·m)
    1250
    875
    1750
    1400
    2500
    1750
    综合加载
    重复性误差/%
    合格指标 0.20 0.20 0.30
    先进指标 0.06 0.06 0.10
    光天平 0.03 0.01 0.03
    空气桥天平 0.027 0.01 0.032
    综合加载
    准度误差/%
    合格指标 0.40 0.40 0.50
    先进指标 0.10 0.10 0.20
    光天平 0.35 0.10 0.20
    空气桥天平 0.39 0.21 0.16
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    表  3   光天平与及带空气桥天平系统主系数差异

    Table  3   Main coefficient differences between two balances

    Y MZ X
    光天平 10.199 1.477 10.254
    带空气桥天平 10.217 1.491 10.303
    绝对差异 -0.018 -0.014 -0.049
    相对差异/% -0.18 -0.94 -0.48
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    表  4   试验数据重复性结果

    Table  4   Repetition of testing

    车次 NPR Cfx Cfy θ/(°)
    1 25.26 0.9493 -0.1886 -11.23
    2 25.32 0.9502 -0.1880 -11.19
    3 25.30 0.9498 -0.1886 -11.23
    4 25.27 0.9492 -0.1884 -11.23
    5 25.29 0.9497 -0.1884 -11.22
    6 25.30 0.9500 -0.1888 -11.24
    7 25.28 0.9494 -0.1882 -11.21
    aver 25.29 0.9497 -0.1884 -11.22
    σ 0.0188 0.0003 0.0002 0.0154
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-12-05
  • 修回日期:  2017-11-14
  • 刊出日期:  2018-02-24

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