气压弹射系统用微型压缩机动态转矩特性_严彦.pdf

流 体 机 械第 51 卷第 2 期2023 年 2 月 41 收稿日期：2022-05-04 修稿日期：2023-01-16基金项目：国家自然科学基金委员会-中国民用航空局民航联合研究基金项目（U1933121）；陕西省自然科学基础研究计划项目 （2023-JC-QN-01）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.02.006气压弹射系统用微型压缩机动态转矩特性严 彦1，魏凌霄2，李鹏飞3，徐建明3，李 云2（1.西安工程大学，西安 710048；2.西安交通大学，西安 710049；3.中航工业庆安集团有限公司航空设备研究所，西安 710077）摘 要：为准确了解机载气压弹射系统中作为负载的压缩机转矩特性，以满足微型空压机对控制系统的要求，基于压缩机的动力学和运动学关系，以及质量和能量守恒关系，建立了一种基于有限级间容积的多级压缩机动态仿真模型，该模型可相对准确地预测压缩机动态启动、稳态和变工况运行下压缩机的转矩特性。选择两级压缩机及某个飞行包线进行了实例计算，建立了压缩机能量方程、流动方程、动力学方程及曲轴转动方程。计算结果显示，压缩机吸气压力和温度的变化导致一级气缸的排气压力下降了25%，用气后气瓶压力的变化导致一级气缸的排气压力下降了24%，二级气缸的排气压力下降了 43%。本文所建立的动态模型反应了启动过程中压缩机压力的建立过程以及负载转矩的连续变化情况，其预测结果更贴近于实际情况。关键词：导弹弹射系统；空气压缩机；动态模型；稳态模型；转矩；直流无刷电机中图分类号：TH457 文献标志码：A Dynamic torque characteristics of miniature air compressor for pneumatic ejection systemYANYan1，WEILingxiao2，LIPengfei3，XUJianming3，LIYun2（1.XianPolytechnicUniversity，Xian 710048，China；2.XianJiaotongUniversity，Xian710049，China；3.AVICQinganGroupCo.，Ltd.，Xian 710077，China）Abstract：Inordertoaccuratelyunderstandthetorquecharacteristicsofthecompressorasaloadintheairbornepneumaticejectionsystemsoastomeettherequirementsoftheminiatureaircompressorforthecontrolsystem，basedonthedynamicsandkinematicsofthecompressor，themassandenergyconservation，adynamicsimulationmodelofmulti-stagecompressorwithfiniteinterstagevolumewasestablished.Compressortorquecharacteristicsindynamicstartprocess，steady-stateandvariable-dutyoperationcanberelativelyaccuratelypredictedfromthedynamicmodel.Atwo-stagecompressorandanexampleoftheflightenvelopewereselectedforcalculationasacase.Theenergyequation，flowequation，dynamicequationandcrankshaftrotationequationofthecompressorwereestablished.Thecalculationresultsshowthatthechangeofcompressorsuctionpressureandtemperatureleadstoa25%dropintheexhaustpressureofthefirst-stagecylinder，a24%dropintheexhaustpressureofthefirst-stagecylinderanda43%dropintheexhaustpressureofthesecond-stagecylinder.Thedynamicmodelestablishedreflectstheestablishmentprocessofcompressorpressureandthecontinuouschangeofloadtorqueinthestartingprocess，anditspredictionresultsareclosertotheactualsituation.Key words：missilelaunchingsystem；aircompressor；transientmodel；steadymodel；torque；BLDCM符号说明：转速，r/s；A 换热面积，m2；h 对流换热系数，W/（m2）；tw缸壁温度，；气体密度，kg/m3；气体动力黏度，N s/m2；D 气缸直径，m；cp 定压比热，J/（kg K）；导热系数，W/（m K）；42FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023S 活塞位移，m；t0冷却液温度，K；Af，j 一级排气阀最大流通面积，m2；Af，j+1二级吸气阀最大流通面积，m2；Ap，j 管路截面积，m2；Af 气阀最大流通面积，m2；y0弹簧预压缩位移，m；ymax弹簧最大压缩位移，m；Mv 气阀当量运动质量，kg；Dp 气阀前后气体压差，Pa；Av 气阀平面面积，m2；st 弹簧刚度，N/mm；m 往复质量，kg；Rd 气缸分布圆直径，m；斜盘倾角，（）；p0环境压力，Pa；f 摩擦系数；g，l 下标，气侧、液侧。0 引言导弹弹射挂架是第四代隐形战斗机战斗部的一个重要组成部分，其以高压气体为能源，作用是悬挂、运载、弹射投放导弹。当载机向系统发送电信号后，高压气体进入工作腔，通过压力差驱动弹射机构，使导弹脱离弹射装置而被弹射出去1。近年来，随着我国第四代战机的研发，有关于气压冷弹射系统的研究较为活跃，研究主要集中在对弹射机构运动学和动力学仿真2-3，或者对气压作动筒的工作过程进行分析，从而了解弹射系统的运动规律、运动特性是否满足给定战技要求4-8。机载充瓶空气压缩机是为弹射系统提供气源的核心部件，由于弹射装置所需气源压力很高，因此采用多级往复压缩机，其工作特性的好坏直接影响了气压作动筒和弹射机构的性能。机载系统要求压缩机具有体积小、重量轻、效率高且稳定可靠等特点。机载充瓶空压机在工作时转矩波动大，为了减少重量，采用电机和空压机直联方式驱动。直流无刷电机作为原动机是减少设备重量和体积的有效手段，但是直流无刷电机驱动的多级高压空压机对电机和控制系统的要求很高，当电机输出转矩与压缩机负载转矩不匹配时会造成剧烈的转速波动，不利于其稳定运行，需要在设计阶段对其提出合适的控制方式和策略。电机和压缩机运动方程可表示为 Te-Tl=Jd/dt+Bv，其中Te是电机驱动转矩，Tl是空压机负载转矩，J是转动惯量，是角速度，Bv是黏滞摩擦系数。负载的转矩 Tl无法人为控制，控制系统应当通过合适的方法调整 Te的变化，使 d/dt 趋近于 0，从而使转速稳定。分析上述运动方程可知，对控制系统进行仿真时，首先需要确定压缩机负载的变化规律。本文所研究的机载微型多级往复式充瓶空压机，由于体积限制，级间缓冲容积很小，使级间压力很难恒定，进一步加剧了负载转矩的波动，此外在不同的飞行剖面和任务要求下，压缩机的进排气压力始终会变动，这与民用地面压缩机的差异十分大，所以，对于机载空压机而言，准确了解压缩机的负载转矩特性十分重要。赵前程等9采用恒定负载转矩表示压缩机负载特性，此方法多用于排气过程连续，转矩波动范围很小的螺杆式压缩机，对于转矩波动较大的往复式压缩机并不适用；奚东敏等10-11通过拟合实验测点得到压缩机负载特性曲线，此方法需要大量的试验数据，且只能针对一种结构，具有很大的局限性；钟美鹏等12、迟莹等13、董耀辉等14 建立了压缩机稳态模型。此外，国内外虽然有考虑换热、泄漏、气阀运动规律等特性的更贴近实际的压缩机模型15-17，但是大多是针对单级单作用压缩机而建立，且同样是固定了进、排气压力，因此本质仍然是一种稳定模型。如果负载的转矩变化剧烈，上述几种方法所得到的控制参数可能会不合理，从而在实际的机器运行时造成转速严重的震荡和波动，甚至出现反向输出转矩。本文通过基本的质量和能量守恒方程及压缩机运动学和动力学关系，建立了一种通用的有限级间容积的多级压缩机动态仿真模型，模型可考虑空压机充瓶过程中在启动、稳态运行及变工况状态下的运行情况，旨在得到更精确的压缩机负载转矩特性，为直流无刷电机控制方案和仿真提供基础数据。1 数学模型图 1 为压缩系统示意，机载空压机系统通常为多级压缩机，每级之间设置级间冷却器。43严彦，等：气压弹射系统用微型压缩机动态转矩特性图 1 压缩系统示意Fig.1 Schematicdiagramofcompressionsystem根据机载压缩机的工作特点，假定：（1）任何瞬时，控制体容积内各质点处于均值参数状态，且任何外界作用（机械能、热交换等）都是瞬时均匀地传给控制容积内的工质；（2）忽略工质的动能和位能变化的影响；（3）各孔口处的流动均视为瞬时稳定的绝热流动；（4）气体无泄漏。对压缩机的控制容积建立能量方程，结合气阀运动方程和孔口流动方程，联立方程组求解压缩机各性能参数，再耦合压缩机变转速动力学计算，即可得到完整的动态仿真模型。1.1 能量方程4 个控制容积的能量守恒方程：ddddddddddmuQWm hm hjjji ijo oj()=-+()-()（1）压缩机工作过程中，气体与气缸壁面之间的热交换以对流换热为主，dq时间内的换热量为：ddQhAt tw=-()（2）根据参考文献 18提出的压缩机缸内换热经验关联式有：Nu()=()()00530806.RePr（3）Re ()=()()()()Deg22（4）Pr ()=()()()cp（5）DeDSDSD()=()()()+()622222/（6）式中，g（）为涡流速度，其计算式可分为：当 1.5 0.5 时，g（）=2 1.04+cos（2）；当 0.5 1.5 时，g（）=1.04+cos（2）。级间冷却器模型采用套管式换热器，内管通压缩气体，管间通冷却液。为简化计算，认为其在换热过程中温度均匀恒定，则时间内的换热量为：ddQt th AhAddlggl l=-()+()|021112/l n/（7）其中，气侧和液侧的换热面积 Ag，Al可由结构参数计算得出；气侧和液侧的对流换热系数hg，hl可由工程中常用的 Dittus-Boelter 关系树计算得出19-21。1.2 流动方程压缩机第 j 级间管路的气体流动状态由 j 级排气阀和j+1级吸气阀控制，设气体由j级排气阀流入时的流速为 uj，由 j+1 级吸气阀流出的速度为 uj+1，则级间管路中的气体的平均流速为：uu AuAAjjf jjf jp j=+,112（8）因气阀入口处流速远低于流经节流小孔处的流速，所以忽略气阀入口处的流速。则气体流经吸、排气孔口和吸、排气阀孔的流速为：uhh=-()2211 2/（9）质量流量可表示为：ddmAvhhvf=-()2211 2/（10）气阀开度由气阀运动方程控制。本文采用舌簧阀，假定作用在阀片上的气流无偏吹，且将阀片看作单自由度的质点振动系统，则气阀运动方程式为：44FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023 dd2202=-+()ApyyMyvvs tmaxmax（11）1.3 压缩