某型号发动机燃气发生器熄火边界研究试验系统.docx

          某型号发动机燃气发生器熄火边界研究试验系统                    摘 要：针对某型号发动机燃气发生器熄火边界研究试验需求，利用现有条件搭建燃气发生器高压挤压试验系统，试验系统具备氧箱压力分级调节能力，以满足试验不同阶段氧入口压力不同的试验需求本文首先介绍了试验内容、试验参数、试验系统组成及原理，其次重点介绍了试验过程中氧箱压力调节方案，包括系统控制逻辑，控制系统组成及增压放气孔板计算方法通过与试验数据对比，证明了控制方案及孔板计算方法的正确性，为后续此类试验系统搭建提供参考关键词：熄火边界，挤压试验系统，分级增压引言某型号发射任务中，某发动机出现故障，需要对该发动机燃气发生器进行故障验证试验，获取燃气发生器的熄火混合比以及混合比逐步恢复过程中发生器工作状态该燃气发生器采用液氢液氧为推进剂，火药点火器点火，为此需要搭建试验系统满足此试验需求1项目概况1.1任务来源某型号发射任务中，某发动机出现故障，需要对燃气发生器进行多种工况熄火边界试验试验系统需具备试验过程中调整箱压的能力，发动机在较高压起动，随后箱压降至较低压力，之后再升至较高压力1.2试验目的获得燃气发生器在不同工况下的熄火边界；2系统组成试验系统主要包括液氧系统，液氢系统，氮气/氦气吹除系统，地面配气系统以及测控系统。

具体系统如下：2.1 液氧系统液氧系统主要包括：液氧贮箱、贮箱加注系统、增压系统、放气系统以及液氧输送系统2.2 液氢系统液氢系统主要包括：液氢贮箱、贮箱加注系统、增压系统、放气系统以及液氢输送系统2.3氮气/氦气吹除系统试验共3路吹除，分别为液氧低压吹除、液氧高压吹除、液氢吹除吹除系统需满足氮气/氦气切换氮气吹除系统主要由氮气源、过滤器、减压器、吹除阀、单向阀及吹除管路等组成，氦气吹除系统主要由氦气瓶、过滤器、减压器、吹除阀、单向阀及吹除管路等组成2.4地面配气系统地面配气系统主要为新增的阀门供应控制气，控制气气主要有活门盒、二位五通电磁阀以及控制气输送管路组成2.5测控系统测量系统主要包括压力测量系统，温度测量系统，流量测量系统及振动测量系统组成控制系统主要包括单元及程序控制系统，自动增压系统组成3关键技术研究本次试验关键技术在于氧箱箱压控制，试验过程中需实现氧箱压调整，第一阶段程序启动前，氧箱压力由0.1MPa增压1.8MPa并保持，第二阶段程序4s-22s箱压由1.8MPa放气至0.4MPa，第三阶段22s-30s箱压由0.4MPa增压至1.8MPa，第四阶段箱压1.8MPa保持至试验结束。

故氧箱箱压调节分为增压段、稳定段、降压段试验台增压系统利用现有系统，其增压方式为利用2路“电磁阀+孔板”方式进行增压及稳压泄压方式为打开放气阀门进行贮箱泄压故利用增压1实现系统增压，增压2实现系统稳压，利用贮箱放气实现贮箱降压控制系统需要根据不同阶段设置不同的箱压控制逻辑：打开增压阀门或放气阀门，同时需要对增压速度及放气速度进行严格控制，即通过增压及放气孔板控制增压放气速率3.1控制逻辑根据上述要求，设置控制程序，需要在不同阶段实现控制逻辑的转变控制系统主要由箱压传感器，PLC，上位机等组成，控制逻辑如图2所示，系统起始箱压为0.1MPa，目标压力P1=1.8MPa，P2=0.4MPa，在上位机软件设定液氧贮箱目标压力值P1，P2第一阶段自动增压启动，PLC给上位机发送指令，上位机接收指令后，读取实际箱压值P，并和设定值P1比较如果实际箱压P低于P1，则上位机给PLC发送指令，PLC程序控制打开增压1、增压2电磁阀给贮箱增压到达P1后关闭增压1，增压2，循环执行该过程，把贮箱压力稳定在设定值P1第二阶段时程序放气启动，PLC给上位机发送指令，上位机接收到信号后贮箱压力设定值从P1修正为P2，同时打开贮箱放气阀门进行放气，当贮箱压力到达P2时，关闭贮箱放气，通过阶段1中的闭环控制将箱压稳定在P2。

第三阶段增压启动，PLC再次给上位机发送指令，上位机接收到信号后液氧贮箱设定值从P2修正为P1，通过闭环控制把箱压开始增压，增压完成后保持压力为P1至试验结束3.2控制系统上述控制逻辑搭建控制系统主要包括上位机、现场控制器，IO板卡，压力传感器，电源，传输电缆等上位机：采用研华工控机IPC-610作为上位机，用来进行软件编程、设定值输入、界面监控以及数据处理分析现场控制器：采用西门子PLC S7-300作为下位机，控制增压电磁阀和放气电磁阀的通断，并通过IO板卡与上位机进行指令交换IO板卡：系统组成需要数字量输入、输出板卡，模拟量输入板卡，其中数字量I/O 输入卡选用PCLD782，数字量 I/O 输出卡选用PCLD785B继电器输出卡，通过连接电缆与工控机连接A /D采集卡选用PCL818HD高速多功能采集卡，直接插在工控机的卡槽中压力传感器：试验现场贮箱安装陕西汉中有限公司的压力传感器YB-1型号，10V供电，输出0-10mv信号，精度0.2%电源：压力传感器和电磁阀供电选用研华直流稳压稳流电源整个系统采用UPS交流净化电源供电，防止因意外掉电给系统造成的损失其他部件：数据采集传输电缆采用屏蔽电缆( RVVP) , 使用调理模块5B30对信号进行隔离放大, 设置专用系统地线, 在传感器供电电源前端增加交流净化电源, 以增强系统抗干扰能力, 解决长距离小信号的传输问题。

经隔离调理模块5B30放大成- 5V ~ + 5V 信号, 通过高速采集卡PCL818HD，输送至工控机3.3增压及放气孔板计算增压及放气系统关键点在于增压孔板孔径、放气孔板孔径计算其具体内容如下1、氧箱增压孔板计算根据试验需求，由增压1实现15s内箱压由0.4MPa增至1.8MPa增压2用于稳压过程贮箱稳压，即增压1完成15s贮箱压力0.4MPa增至1.8MPa，增压2用于补充稳压段液氧出流造成的压力损失，按最大工况计算，增压1孔板增压流量m1计算公式如下：增压2孔板增压流量m2计算公式如下：增压孔板直径d计算公式如下：2氧箱放气孔板计算氧箱降压阶段箱压变化包括液氧出流造成的箱压变化及放气阀放气造成的箱压变化，由于液氧流量较少，短时间内液氧出流造成的箱压变化可忽略不计因此只需考虑液氧放气造成的箱压变化，试验前液氧箱气垫容积为V，试验前箱压基本稳定即增压气体温度基本稳定，根据经验温度约为180K放气孔板直径D计算公式为：3.4试验结果根据上述所述进行系统搭建，搭建完成后进行系统调试及试验，试验结果见图4从试验结果可看出氧箱增压试验，71s-89s氧箱箱压放气，压力由1.8MPa放至0.4MPa，89s-96s氧箱增压，压力由0.4MPa增至1.8MPa，满足试验任务书要求。

图4试验数据图结论根据任务需求，搭建的某发动机燃气发生器挤压试验系统已成功完成试验5次，试验系统通过不同时段设置不同控制逻辑达到了试验过程中氧箱箱压调节，并通过增压及放气孔板的计算使调节能力满足试验任务要求，为后续试验设计及试验方法提供参考参考文献[1] 王赞社,顾兆林等. 低温推进剂贮箱增压过程的传热传质数学模拟[M]. 低温工程, 2007,6:28-31.[2] 陈阳,张振鹏等. 低温推进剂贮箱增压系统分布参数数值仿真Ⅱ增压系统数值模型与仿真结果[M]. 航空动力学报, 2008,23,2:229-335.[3] 瞿骞. 高压、小气枕低温贮箱智能增压技术[M]. 低温工程,2005,5:22-25.[4] 王赞社,顾兆林等. 低温贮箱多路管道增压的一种模糊算法研究[M]. 火箭推进,2008,34,2:7-12.  -全文完-。