水下航行器對轉渦輪動力系統建模與仿真

趙民全, 王新平

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水下航行器對轉渦輪動力系統建模與仿真

趙民全1, 王新平2

(1. 中國人民解放軍91404部隊, 河北秦皇島, 066001; 2. 西北工業(yè)大學航海學院, 陜西西安, 710072)

為研究水下航行器對轉渦輪動力系統, 提出了對轉渦輪動力分系統控制方案。一級渦輪結構采用燃料流量的控制方式, 二級渦輪結構采用調節(jié)海水泵比例溢流閥壓力改變海水泵吸收功率的控制方式, 分別建立了各級渦輪轉速閉環(huán)控制系統數學模型, 并進行了水下航行器在恒定深度下的變速特性和變深過程中的穩(wěn)速特性仿真。仿真結果表明, 參數的變化特性符合期望值, 動力系統變化過程快速、穩(wěn)定。

水下航行器; 對轉渦輪; 動力系統; 建模與仿真

0 引言

未來海戰(zhàn)及工作需求都要求新型水下航行器具有更高的性能, 即遠航程、高航速、高效能、低噪聲, 并具有更好的工作適應性, 可滿足多工況的工作能力[1]。相較于水下航行器活塞機和傳統渦輪機而言, 對轉渦輪動力系統質量輕、工作效率高、且振動和噪聲較小, 滿足新型水下航行器對動力系統的要求。此外, 對轉渦輪動力還具有總陀螺力矩小的天然優(yōu)勢, 成為新型水下航行器增大航速、航程, 提高工作適應能力的理想動力系統[2-3]。國內外研究現狀表明, 先進的對轉渦輪技術已成為最為關鍵的技術之一[4-5]。對轉渦輪在航天航空領域的應用已顯示出其多方面的優(yōu)越性, 并獲得了研究者的大量關注[6-8]。文章以新型水下航行器對轉渦輪發(fā)動機作為主機, 進行了動力系統建模和仿真, 仿真結果表明參數變化特性符合期望值。

1 對轉渦輪動力系統

水下航行器對轉渦輪動力系統主要由主機系統和輔機系統兩部分組成。主機系統將燃料燃燒的熱能轉化為機械能, 產生對轉渦輪動力系統輸出功率, 主要由燃料艙、燃燒室、噴嘴盒、變排量燃料泵、一級渦輪、減速箱及推進器組成。輔機系統主要由二級渦輪、減速機構、發(fā)電機、滑油泵、海水泵、各管路及閥門、控制系統等組成, 為主機系統正常工作提供潤滑、控制、燃料、電力供應等, 與主機系統共同完成動力系統的工作循環(huán)[9]。對轉渦輪動力系統結構方案[10]如圖1所示。

對轉渦輪動力系統是一個比較復雜的控制對象[11], 在控制系統中存在多個控制量和控制參數, 是典型的非線性多輸入、多輸出、多回路系統。而且這些輸入和輸出之間還存在著較復雜的關聯, 運行工況的變化、航行深度的改變或者某個參數的調整, 都會使其他與之相關的參數發(fā)生改變。可將對轉渦輪分為一級渦輪控制系統和二級渦輪控制系統分別進行控制算法的設計, 這樣的簡化將能準確地獲得控制系統的控制模型[12]。

2 一級渦輪轉速閉環(huán)控制算法設計

2.1 一級渦輪轉速控制系統構成

一級渦輪結構上采用燃料流量的控制方式[13], 使用一級渦輪轉速作為反饋信號、恒定期望渦輪轉速作為指令信號構成一級渦輪轉速閉環(huán)控制系統。航行器的換速過程通過上位機發(fā)給轉速控制器的變速編碼指令實施, 發(fā)動機控制單元根據上位機給定的變速指令和測速傳感器反饋的轉速信號確定相應的控制信號, 同時將計算的燃料耗量傳給自動駕駛儀的信息處理器, 以便優(yōu)化彈道。伺服電機根據所接收的控制信號調節(jié)燃料泵的斜盤傾角, 進而調節(jié)進入燃燒室的燃料流量, 改變燃燒室的壓強。一級渦輪轉速閉環(huán)控制系統構成如圖2所示。

2.2 一級渦輪控制系統控制規(guī)律

(2)

(3)

從系統可實現性和控制品質的角度出發(fā), 控制器采用比例積分控制器形成針對工質秒耗量的控制律[14], 即

變排量燃料泵的控制電壓

綜合式(5)和式(6)即可得功率控制單元輸出的控制變排量泵的指令信號

(7)

3 二級渦輪轉速閉環(huán)控制算法設計

3.1 二級渦輪控制系統構成

二級渦輪結構上采用調節(jié)海水泵比例溢流閥壓力改變海水泵吸收功率的控制方式[15-16], 使用二級渦輪轉速作為反饋信號、恒定期望渦輪轉速作為指令信號構成二級渦輪轉速閉環(huán)控制系統, 二級渦輪轉速閉環(huán)控制系統構成如圖4所示。

二級渦輪轉速閉環(huán)控制系統由二級渦輪、發(fā)電機、海水泵、滑油泵、燃料泵、轉速控制器、海水泵比例溢流閥、海水泵比例減壓閥以及滑油泵比例溢流閥構成。

航行器在穩(wěn)定工作狀態(tài)時, 二級渦輪轉速恒定, 則此時滑油泵和海水泵流量也恒定。然而不同工況下系統所需的冷卻海水和潤滑油的流量是不同的, 當航行器變工況時, 通過轉速控制器發(fā)送控制指令給海水泵比例減壓閥和滑油泵比例溢流閥調節(jié)減壓閥的出口壓力和溢流閥的開啟壓力, 使得冷卻海水和潤滑油的流量處于理想水平。航行器在任意工況下其二級渦輪的恒速轉動是通過上位機發(fā)給轉速控制器的恒速編碼指令實施的, 發(fā)動機控制單元根據上位機給定的恒速指令和測速傳感器反饋的轉速信號確定相應的控制信號。海水泵比例減壓閥開環(huán)控制和滑油泵比例溢流閥開環(huán)控制被動接收實際轉速信號, 通過消耗二級渦輪轉矩對二級渦輪的閉環(huán)控制產生影響; 海水泵比例溢流閥接收的是期望轉速與實際轉速之差的控制信號, 進而調節(jié)海水泵后壓力, 改變海水泵吸收二級渦輪轉矩的大小, 以達到轉矩平衡, 這是二級渦輪閉環(huán)控制的主體。

3.2 二級渦輪轉速控制系統控制規(guī)律

二級渦輪動力系統動力學方程

海水泵吸收轉矩

海水泵比例溢流閥的響應特性

(10)

采用對海水泵比例溢流閥的閉環(huán)控制、對海水泵比例減壓閥的開環(huán)控制和滑油泵比例溢流閥的開環(huán)控制來實現對二級渦輪轉速的控制。在平衡點處,,,, 對式(8)、式(9)和式(10)進行線性化處理, 并進行拉普拉斯變換, 可得動力系統的傳遞函數表達。

二級渦輪轉速閉環(huán)控制系統結構如圖5所示。

從系統可實現性和控制品質的角度出發(fā), 控制器采用比例積分控制器形成針對二級渦輪轉速的控制律, 海水泵電調比例溢流閥的控制電壓可按照下式得

由式(11)即可得功率控制單元輸出的控制海水泵電調比例溢流閥的指令信號為

4 對轉渦輪動力系統工作過程仿真分析

如果二級渦輪的轉速較低, 當航行器進行變工況運動從低工況工作到高工況時, 可能會出現輔機系統的吸收功率超過二級渦輪提供的功率, 從而導致輔機系統在高工況下不能正常工作。因此, 二級渦輪的轉速不宜過低。同時, 如果二級渦輪的轉速較高, 當航行器在低工況工作時, 二級渦輪將產生多余的功率, 這些多余的功率雖然被輔機系統吸收, 但會對動力系統的整體性能產生影響, 不利于動力系統的最優(yōu)發(fā)揮, 因此, 二級渦輪的轉速不宜過高。定義三速制水下航行器, 設計二級渦輪雙轉速, 低轉速為7 000 r/min, 高轉速為8 600 r/min。

針對已建立的對轉渦輪閉環(huán)控制系統模型, 進行航行器在恒定深度下的變速特性和變深過程中的穩(wěn)速特性仿真[17-18]。

4.1 恒深變速仿真

圖6(a)~(g)描述了航行器在水下15 m、航速70 kn的初始狀態(tài)下, 仿真時間0~40 s的恒深變速過程, 二級渦輪轉速改變以階躍信號形式給出(與實際的航行情況相比較該擾動更惡劣)。0~10 s是從高工況到中間工況的變化過程, 二級渦輪轉速從8 600 r/min變?yōu)? 000 r/min; 10~20 s是從中間工況到低工況的變化過程, 二級渦輪轉速為7 000 r/min; 20~30 s是從低工況到中間工況的變化過程, 二級渦輪轉速為7 000 r/min; 30~40 s是從中間工況到高工況的變化過程, 二級渦輪轉速從7 000 r/min變?yōu)? 600 r/min。

在恒深變速過程中, 當航行器由航速Ⅰ變?yōu)楹剿佗驎r, 微機控制器發(fā)送控制信號給調節(jié)滑油泵的電調比例溢流閥, 使滑油泵后壓力處于航速Ⅱ對應的恒定壓力; 轉速控制器發(fā)送控制信號給海水泵電調比例減壓閥, 使海水泵后壓力處于航速Ⅱ對應的恒定壓力。與此同時轉速控制器通過比較航速Ⅰ和航速Ⅱ兩種工作狀態(tài)所對應的一級渦輪轉速, 獲得轉速偏差, 按一定的控制算法計算后發(fā)送控制信號給伺服電機, 調節(jié)變排量泵供給燃燒室的工質秒耗量,直到一級渦輪轉速。

在一級渦輪轉速變化同時, 由于耦合關系, 不可避免地會使得二級渦輪轉速發(fā)生波動。轉速控制器根據航行器航速變化過程中給二級渦輪轉速帶來的轉速偏差, 按一定的控制算法計算后發(fā)送控制信號給海水泵后電調比例溢流閥, 改變海水泵后壓力, 通過調節(jié)海水泵吸收功率來控制二級渦輪轉速, 使得二級渦輪轉速變化維持在系統允許的范圍內。

由圖6曲線可以看出, 0~10 s內, 由于二級渦輪轉速發(fā)生變化, 導致海水泵泵后壓強發(fā)生突變, 航行器的其余各項參數平穩(wěn)變化, 系統運行正常; 10~20 s內, 燃料泵輸出流量、燃燒室壓強、一級渦輪轉速和海水泵泵后壓強都有一定的超調, 但變化量很小并且很快達到恒值, 而海水泵比例溢流閥閥后壓強、二級渦輪轉速和航行器航速平穩(wěn)變化, 系統運行正常; 20~30 s內, 海水泵泵后壓強有一定的變化量, 但該參數對系統影響不大, 燃料泵輸出流量、燃燒室壓強、一級渦輪轉速和海水泵比例減壓閥閥后壓強都有一定的超調, 但變化量很小并且很快達到恒值, 而二級渦輪轉速和航行器航速平穩(wěn)變化, 系統運行正常; 30~40 s內, 由于二級渦輪轉速發(fā)生變化, 導致海水泵泵后壓強發(fā)生突變, 但很快穩(wěn)定, 航行器的其余各項參數平穩(wěn)變化, 系統運行正常[19]。

(a) 燃料流量變化曲線

(b) 燃燒室壓強變化曲線

(c) 一級渦輪轉速變化曲線

(d) 二級渦輪轉速變化曲線

(e) 海水泵泵后壓強變化曲線

(f) 海水泵比例減壓閥閥后壓強變化曲線

4.2 恒速變深仿真

圖7描述了航行器在水下15 m、航速70 kn的初始狀態(tài)下, 先由高工況變?yōu)橹虚g工況, 再進行恒速變深的過程。恒速變深時, 一級渦輪和二級渦輪的理論轉速與中間工況時的參數一樣, 航行器彈道傾角以階躍信號形式給出(與實際的航行情況相比較該擾動更惡劣)。0~10 s是從高工況到中間工況的變化過程, 10~30 s是從15 m下潛到300 m的變化過程, 30~50 s是300 m直航的過程, 50~70 s是從300 m上爬到15 m的變化過程。

由圖7曲線可以看出, 10~30 s內, 背壓增大, 燃料泵輸出流量和燃燒室壓強也增大, 而一級渦輪轉速降低, 由于負浮力的影響, 航行器航速增加, 航行器的各項參數平穩(wěn)變化, 系統運行正常; 30~50 s, 背壓不再變化, 燃料泵輸出流量和燃燒室壓強變大并很快趨于穩(wěn)定, 而一級渦輪轉速增加, 負浮力影響消失, 航行器航速減小, 航行器的各項參數平穩(wěn)變化, 系統運行正常[20]; 上爬和15 m直航階段航行器各項參數的變化特性基本上與下潛和300 m直航階段的變化特性相反。

(a) 燃料流量變化曲線

(b) 燃燒室壓強變化曲線

(c) 一級渦輪轉速變化曲線

(d) 二級渦輪轉速變化曲線

5 結論

水下航行器對轉渦輪動力系統以對轉渦輪發(fā)動機作為系統主機, 因在效率等方面的巨大優(yōu)勢終將替代以往的水下渦輪動力系統, 文中通過對整個系統的建模和仿真, 可以得出以下結論:

1) 水下航行器對轉渦輪動力系統是一個非線性多輸入、多輸出、多回路系統, 而采用分系統控制策略正確可行;

2) 仿真結果表明, 參數的變化特性符合期望值, 動力系統變化過程快速、穩(wěn)定。

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(責任編輯: 陳 曦)

Modeling and Simulation of Counter-rotating Turbine Power System for Underwater Vehicle

ZHAO Min-quan,WANG Xin-ping2

(1. 91404thUnit, The People′s Liberation Army of China, Qinhuangdao 066001, China; 2. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

To study the power system of counter-rotating turbine for an underwater vehicle, a control scheme of counter-rotating turbine power subsystems is proposed. The first stage turbine is controlled by the fuel flow, the second stage turbine is controlled by adjusting the proportional relief valve′s pressure of a sea water pump to change the absorbing power. Then mathematical models of the closed cycle control system are established respectively for each stage turbine. The speed changing characteristics in constant depth and the steady speed characteristics at varying depth of the underwater vehicle are simulated. The results indicate that the changing characteristics of the parameters are in accordance with the expected values and the changing process of the power system is fast and steady.

underwater vehicle; counter-rotating turbine; power system; modeling and simulation

10.11993/j.issn.1673-1948.2017.01.008

TJ630.32; TK47

A

1673-1948(2017)01-0037-08

2016-09-27;

2016-11-29.

趙民全(1979-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向為電子對抗及裝備可靠性.