通过压力表监控压力实现自制涡喷发动机自持的技术研究

本文针对互联网自制涡喷发动机难以自持运行，提出了一种基于压力表监控的压力闭环控制系统。通过实时监测资质涡喷发动机关键部位的压力参数(如压气机出口压力、燃烧室压力等)，结合控制算法，以实现发动机在不稳定工况下自持运行。实验结果表明，该系统可有效预防喘振，降低人工干预需求，为自制低成本涡喷发动机的自主运行提供技术支撑。

一、系统设计

　　2.1 压力监控节点选择

　　自制涡喷发动机的压力监控需覆盖以下关键节点：

　　压气机出口压力：反映压缩效率，过高易导致喘振，过低则影响燃烧室进气量。

　　燃烧室压力：与燃油喷射量、燃烧稳定性直接相关，需实时监测以避免熄火或爆震。

　　涡轮出口压力：用于计算排气速度，间接反映推力输出。

　　尾喷管压力：监测排气背压，优化尾喷管设计以提高推力效率。

根据监控需求，选用以下压力表：

　　高精度压阻式压力传感器：量程0-5MPa，5-10MPa，精度±0.5%FS，用于压气机出口与燃烧室压力监测。

　　耐高温电容式压力传感器：量程0-2MPa，精度±1%FS，采用陶瓷基复合材料封装，用于涡轮出口与尾喷管压力监测。

　　布局原则：在关键节点布置压力表或精巧型压力变送器，通过数据融合变送器数据控制进气压力，涡轮转速提高稳定性可靠性;传感器安装位置需避开高温爆震燃烧区，采用冷却通道或隔热材料保护。

　　2.3 信号传输与处理

　　传感器信号通过模拟开关切换至信号测量电路，经AD转换器转换为数字信号后传输至微控制器(MCU)。MCU运行以下算法：

　　自检算法：定期对传感器进行故障诊断，对比预设信号与实测信号，若偏差超过阈值则触发报警。

　　动态滤波算法：采用卡尔曼滤波消除振动噪声，提高信号稳定性。

　　压力比计算：通过压气机出口压力与进气压力之比(PR)，估算发动机压缩效率。

二、自持控制策略

　　3.1 推力闭环控制

　　基于压力比(PR)与主轴转速反馈，动态调整燃油喷射量：

　　PR上升：表明压缩效率提高，适当增加燃油喷射量以提升推力。

　　PR下降：表明压缩效率降低，减少燃油喷射量以避免喘振。

　　转速补偿：当主轴转速偏离目标值时，调整燃油喷射量以维持转速稳定。

　　3.2 喘振预防与控制

　　当压气机出口压力波动超过阈值时，系统执行以下操作：

　　放气活门调节：打开放气活门，降低压气机负荷，防止喘振发生。

　　导流叶片角度调整：改变导流叶片角度，优化气流方向，提高压缩效率。

　　燃油限流：在特殊工况下，限制燃油喷射量以避免发动机损坏。

　　3.3 故障隔离与容错

　　当某传感器失效时，系统执行以下操作：

　　冗余切换：自动切换至冗余传感器，维持压力监控。

　　模型预测：基于历史数据与发动机模型，预测剩余传感器数据，维持控制逻辑。

　　安全停机：当多传感器失效或关键参数超出安全范围时，触发安全停机程序。

三、实验验证与结果分析

　　4.1 实验平台

　　搭建自制涡喷发动机实验台，包括：

　　发动机本体：轴流式涡喷发动机，推力范围10-50N。

　　压力监控系统：高精度压阻式与耐高温电容式压力传感器，数据采集卡，MCU控制器。

　　执行机构：电动放气活门，伺服导流叶片，燃油电磁阀。

　　4.2 实验结果

　　推力闭环控制：在地面台架上，系统成功将推力波动范围从±15%降低至±5%，提高了推力稳定性。

　　喘振预防：在加速工况下，系统提前0.3秒检测到压气机出口压力波动，触发放气活门调节，避免了喘振发生。

　　故障隔离：当某压气机出口压力传感器失效时，系统自动切换至冗余传感器，并依据模型预测数据维持控制逻辑，实验持续运行10分钟未发生停机。

　　4.3 结果分析

　　实验结果表明，基于压力表监控的压力闭环控制系统可有效提高自制涡喷发动机的自持运行能力。具体体现在：

　　推力稳定性提升：通过实时调整燃油喷射量，降低了推力波动范围。

　　喘振预防能力增强：通过动态调节放气活门与导流叶片，避免了喘振发生。

　　故障容错能力提高：通过冗余传感器与模型预测，提高了系统的可靠性。

四、结论与展望

　　本文提出了一种基于压力表及精巧型压力变送器监控的压力闭环控制系统，以实现自制涡喷发动机的自持运行。通过上述技术路径，自制涡喷发动机的自持成功率将显著提升，为低成本娱乐用航空动力系统提供技术支撑。