趙寬明, 楊赪石, 羅 凱, 錢志博, 朱允進(jìn)
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基于變量泵和噴嘴數(shù)的無(wú)級(jí)變速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)
趙寬明1,2, 楊赪石2, 羅 凱1, 錢志博1, 朱允進(jìn)3
(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072; 2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)第705研究所, 陜西 西安, 710075; 3. 西安船舶工程研究院有限公司, 陜西 西安, 710077)
由于基于流量的單變量控制渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差, 提出了基于噴嘴數(shù)開環(huán)控制和變量燃料泵流量閉環(huán)控制的方法, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)變速。閉環(huán)控制采用改進(jìn)的自適應(yīng)算法, 使得雙變量控制方法簡(jiǎn)單實(shí)用, 適用于無(wú)級(jí)變速反艦兼反潛的重型水下航行器, 提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率和平穩(wěn)性。仿真結(jié)果表明, 水下航行器渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)采用噴嘴數(shù)開環(huán)調(diào)節(jié)和變量燃料泵流量閉環(huán)調(diào)節(jié)的雙變量方式, 系統(tǒng)的壓力波動(dòng)和轉(zhuǎn)速波動(dòng)小, 同時(shí)較采用單一流量調(diào)節(jié)的系統(tǒng)燃料秒耗量降低了28%, 渦輪葉片前的溫度也可降低約230 K。
水下航行器; 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī); 推進(jìn)劑流量; 噴嘴數(shù)目; 自適應(yīng)控制
未來(lái)海戰(zhàn)對(duì)水下熱動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的期望, 即遠(yuǎn)航程、大航深、變速范圍大、低噪聲等。同時(shí), 為了提高命中概率和破壞威力, 制導(dǎo)規(guī)律已從傳統(tǒng)的以命中目標(biāo)為目的發(fā)展到以垂直命中為目的, 如果能具備無(wú)級(jí)變速能力, 則可以有效地支持新型制導(dǎo)規(guī)律的實(shí)現(xiàn)。
水下航行器采用無(wú)級(jí)變速航行時(shí), 先以低速航行, 在確保有效捕捉目標(biāo)的前期下提高航速, 一旦目標(biāo)丟失則自動(dòng)轉(zhuǎn)為低速搜索。采用無(wú)級(jí)變速, 一方面可使魚雷搜索和攻擊彈道更加合理, 提高自導(dǎo)的作用距離, 實(shí)現(xiàn)可靠跟蹤, 使魚雷對(duì)目標(biāo)的攻擊更加有效; 另一方面有利于提高能源利用率, 增加航程。由此可見, 研制無(wú)級(jí)變速推進(jìn)系統(tǒng)直接關(guān)系到魚雷性能的提升。
電動(dòng)力的無(wú)級(jí)變速相對(duì)于熱動(dòng)力實(shí)現(xiàn)較為方便, 但又存在航程不足的缺陷[1]。熱動(dòng)力采用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為推進(jìn)主機(jī)是目前的發(fā)展趨勢(shì)[2],但開發(fā)大功率、大航深的渦輪機(jī)技術(shù)難度很大, 主要是由于要滿足航行器大范圍變速(30~70 kn)和變深(5~900 m)的彈道要求。水下渦輪機(jī)通常采用低耗氣量、大焓降的小型渦輪機(jī), 且要求渦輪機(jī)滿足功率大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等要求。同時(shí)由于渦輪機(jī)在變動(dòng)工況時(shí), 特別是在變深時(shí), 對(duì)背壓的敏感程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)活塞機(jī)系統(tǒng), 采用傳統(tǒng)的僅靠燃料流量的單變量控制方式很難滿足水下航行器大部分時(shí)間運(yùn)行在非設(shè)計(jì)工況的經(jīng)濟(jì)性要求, 因此開展新型適用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的無(wú)級(jí)變速控制方案的研究勢(shì)在必行[3]。
本文以反艦兼顧反潛的重型水下航行器為背景, 提出渦輪機(jī)無(wú)級(jí)變速的構(gòu)想, 并建立適用于渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的雙變量數(shù)學(xué)模型, 即通過(guò)改變開環(huán)工作噴嘴數(shù)目和閉環(huán)控制變量燃料泵排量的雙變量控制方法, 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明, 與采用燃料流量的單一變量控制方法相比, 動(dòng)力系統(tǒng)燃料耗量降低約28% (低速和中速、400 m航深工況), 渦輪葉片前的溫度可降低約230K(低速和中速、航深400 m工況), 整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。
水下渦輪機(jī)無(wú)級(jí)變速動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)原理如圖1所示。系統(tǒng)主要由變量燃料泵、噴嘴盒、燃燒室、渦輪機(jī)、泵噴推進(jìn)器、傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器單元等部分組成。
燃料在外部海水壓力下從燃料艙進(jìn)入變量燃料泵, 經(jīng)變量燃料泵按照航速和航深調(diào)節(jié)并增壓, 增壓后的燃料經(jīng)噴嘴盒進(jìn)入燃燒室霧化燃燒, 產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)? 驅(qū)動(dòng)渦輪盤做功。渦輪盤通過(guò)行星減速器驅(qū)動(dòng)泵噴推進(jìn)器, 將渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水下航行器的向前運(yùn)動(dòng), 使航行器達(dá)到指定航速。渦輪機(jī)做功后的乏氣須經(jīng)推進(jìn)軸內(nèi)孔的排氣閥排出雷體。該系統(tǒng)屬于開式循環(huán), 受海水背壓影響很大。
本文介紹的渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用改變?nèi)剂狭髁亢蛧娮鞌?shù)量的雙環(huán)調(diào)節(jié)方式, 用變量燃料泵的泵后壓力與燃燒室的設(shè)定壓力進(jìn)行比較, 將其差值作為指令信號(hào), 構(gòu)成燃燒室壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)器子系統(tǒng)。同時(shí), 整個(gè)系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制, 控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)采用與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定速比的中頻發(fā)電機(jī)的頻率。變速過(guò)程根據(jù)制導(dǎo)系統(tǒng)的指令, 通過(guò)信息處理器將雷體的相關(guān)信息和自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行處理, 通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元發(fā)給轉(zhuǎn)速控制器的變速編碼指令實(shí)施, 發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元根據(jù)上位機(jī)給定的變速指令和中頻發(fā)電機(jī)反饋的轉(zhuǎn)速信號(hào)確定相應(yīng)的控制信號(hào), 同時(shí)將計(jì)算的燃料耗量傳給自動(dòng)駕駛儀的信息處理器, 以便優(yōu)化彈道。變量燃料泵根據(jù)所接收的控制信號(hào), 調(diào)節(jié)燃料泵的斜盤傾角, 進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒室的燃料流量。
采用此種系統(tǒng)配置, 無(wú)論水下航行器運(yùn)行于何種航速和航深下, 燃燒室的壓強(qiáng)變化都不會(huì)很大, 噴嘴速度因數(shù)、可用理想焓降、系統(tǒng)內(nèi)效率的相對(duì)變化都較小, 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。同時(shí)渦輪前溫度較低, 使渦輪機(jī)葉片、渦輪盤的選材相對(duì)較易, 有利于降低渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)難度。
圖1 無(wú)級(jí)變速動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)原理圖
在對(duì)水下航行渦輪機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)建模時(shí), 應(yīng)考慮噴嘴損失、工作葉片損失、余速損失、輪盤摩擦與部分進(jìn)氣葉片鼓風(fēng)損失、乏氣損失、間隙漏氣損失和機(jī)械損失等實(shí)際系統(tǒng)存在的各種損失, 隨著航速、航深等大范圍的變動(dòng), 這些損失的變動(dòng)范圍也可能較大[4]。在建模中采用的方法是: 充分考慮以上各種損失在不同工況下對(duì)渦輪機(jī)內(nèi)效率的影響, 輪周功率為理想可用焓降、效率以及燃料流量的乘積, 輪周轉(zhuǎn)功率除以對(duì)應(yīng)的反饋轉(zhuǎn)速即可得到渦輪機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩, 由于噴嘴在任何 工況下總是處于臨界狀態(tài), 燃料流量由燃燒室內(nèi)的氣體狀態(tài)和噴嘴喉部截面積確定。
以水下航行器的縱平面作為參考系, 開式循環(huán)渦輪機(jī)動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型主要由水下航行器運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)方程、變量燃料泵排量方程、燃燒室壓力方程、噴喉面積以及渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程等7個(gè)方程構(gòu)成。
現(xiàn)代高性能重型反艦兼反潛航行器要求熱動(dòng)力系統(tǒng)具有很大的航速、航深變動(dòng)范圍, 因此渦輪機(jī)系統(tǒng)的控制與活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)一樣, 同樣體現(xiàn)在系統(tǒng)變速和變深兩個(gè)方面。但渦輪機(jī)系統(tǒng)又與活塞機(jī)系統(tǒng)有不同之處, 主要是變深及變速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)效率的影響不同。渦輪機(jī)系統(tǒng)變速過(guò)程中, 速度比的變化會(huì)影響渦輪機(jī)的內(nèi)效率; 而在系統(tǒng)變深時(shí), 排氣壓強(qiáng)的變化會(huì)影響系統(tǒng)的可用焓降, 噴嘴的速度因數(shù)也將發(fā)生改變, 進(jìn)而使得噴嘴出口速度隨之變化, 造成速度比改變, 同樣會(huì)影響內(nèi)效率。渦輪機(jī)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上允許采用更多的控制點(diǎn), 除可采用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)那樣的僅靠燃料流量的調(diào)節(jié)方式, 也可采用流量和工作噴嘴數(shù)均可調(diào)整的雙變量調(diào)節(jié)方式。但噴嘴數(shù)的調(diào)節(jié)就是噴嘴喉部截面積的量值發(fā)生不連續(xù)的、階梯形的變化, 因此噴嘴數(shù)調(diào)節(jié)呈階躍性。
渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)通常是按照高速、大深度的工況進(jìn)行設(shè)計(jì)的, 對(duì)于僅采用流量調(diào)節(jié)方式的系統(tǒng), 在低速航行時(shí), 由于噴嘴通流部分的幾何尺寸不變, 燃燒室壓力會(huì)隨渦輪盤的轉(zhuǎn)速下降而大幅度降低, 并且可用理想焓降也將大幅度降低, 使得渦輪機(jī)的內(nèi)效率和輸出功率大幅度降低; 另外當(dāng)航行器在大深度、低速工況航行時(shí), 由于航行深度的變化引起背壓的變化, 從而使噴嘴后壓強(qiáng)發(fā)生變化。由于噴嘴數(shù)不進(jìn)行調(diào)整, 因此壓強(qiáng)比大幅度上升, 且燃料流量不變, 造成燃燒室的燃燒溫度基本不變, 其結(jié)果是渦輪前溫升高。這就要求渦輪葉片的材料應(yīng)具有更好的熱力性能, 給設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的局限性。因此, 采用單一的燃料流量調(diào)節(jié)方式無(wú)法使渦輪機(jī)滿足較大范圍的變速和變深要求, 但這種控制方式可以適用于反艦水下航行器。
水下航行器的低速航行可以通過(guò)改變工質(zhì)秒耗量實(shí)現(xiàn), 為保證工質(zhì)的初始?jí)毫蜏囟然静蛔? 就不能改變?nèi)剂瞎?yīng)系統(tǒng), 同時(shí)渦輪機(jī)噴嘴喉部總面積也要進(jìn)行改變。喉部總面積的改變可以通過(guò)改變噴嘴數(shù)量的辦法實(shí)現(xiàn), 燃料流量的改變可以通過(guò)改變?nèi)剂媳门帕康姆椒▽?shí)現(xiàn)。從渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可能性出發(fā), 將變量燃料泵后壓力作為反饋信號(hào), 設(shè)定燃燒室壓力, 其差值作為指令信號(hào), 構(gòu)成燃燒室壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)器子系統(tǒng); 而使用系統(tǒng)轉(zhuǎn)速作為反饋信號(hào), 上位機(jī)指令轉(zhuǎn)速作為指令信號(hào), 構(gòu)成系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)伺服器子系統(tǒng)。采用燃料流量和噴嘴數(shù)目雙變量調(diào)節(jié)方式的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī), 無(wú)論系統(tǒng)運(yùn)行于任何航速和航深工況下, 燃燒室壓強(qiáng)的變化都不會(huì)很大, 噴嘴速度因數(shù)、可用理想焓降、內(nèi)效率的變化都相對(duì)較小, 可以降低動(dòng)力系統(tǒng)的工質(zhì)秒耗量, 同時(shí)渦輪葉片可以在較大的范圍選材, 進(jìn)而提高渦輪機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可行性。
當(dāng)然, 采用雙變量調(diào)節(jié)方式的渦輪機(jī)系統(tǒng)在推進(jìn)劑攜帶量相同的條件下航程較長(zhǎng), 工況適用范圍更大, 但是由于噴嘴數(shù)目的調(diào)節(jié)是非連續(xù)的, 只能跳躍性地進(jìn)行, 當(dāng)設(shè)計(jì)中遇到噴嘴數(shù)目為非整數(shù)時(shí), 必須優(yōu)化噴嘴個(gè)數(shù)。另外, 為了實(shí)現(xiàn)雙參數(shù)渦輪機(jī)系統(tǒng)平穩(wěn)性, 需對(duì)噴嘴數(shù)目進(jìn)行修正, 即針對(duì)某一速制配合固定的工作噴嘴數(shù)目 (采用這種控制方式, 會(huì)增加燃料的消耗量), 并采用設(shè)定轉(zhuǎn)速作為指令信號(hào)的開環(huán)控制, 這樣可以有效減輕由于噴嘴數(shù)目變動(dòng)而帶來(lái)的系統(tǒng)不穩(wěn)定。
渦輪機(jī)雙變量控制系統(tǒng)由調(diào)節(jié)噴嘴數(shù)目的開環(huán)控制子系統(tǒng)和調(diào)節(jié)變量燃料泵流量的閉環(huán)控制子系統(tǒng)構(gòu)成。
在噴嘴數(shù)開環(huán)子系統(tǒng)中, 以轉(zhuǎn)速為指令信號(hào), 預(yù)設(shè)噴嘴數(shù)表格, 針對(duì)不同的轉(zhuǎn)速設(shè)定對(duì)應(yīng)的工作噴嘴數(shù)目。但變速時(shí), 每隔一個(gè)采樣周期變動(dòng)一組噴嘴數(shù)目, 直至滿足噴嘴數(shù)目的要求; 當(dāng)變深時(shí), 噴嘴數(shù)目不變。
在流量閉環(huán)子系統(tǒng)中,, [o8] 故采用自適應(yīng)控制算法, 以獲得較為理想的控制效果, 自適應(yīng)算法相對(duì)簡(jiǎn)單, 在工程上容易實(shí)現(xiàn)。
渦輪機(jī)雙變量控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)
按照該傳遞函數(shù)構(gòu)造的自適應(yīng)控制器, 可以確保系統(tǒng)所有參數(shù)的全局有界性, 并實(shí)現(xiàn)跟隨參考模型輸出的目的。但由于控制器算法包含了過(guò)多的控制參數(shù), 很難實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的優(yōu)選和整定。
水下航行器及渦輪機(jī)自身的物理特性可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型。當(dāng)斜盤角度一定時(shí), 燃料泵輸出的流量與轉(zhuǎn)速呈正比, 即發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高(或下降)將導(dǎo)致燃料流量的升高(或下降), 形成正反饋環(huán)節(jié)。由于渦輪機(jī)系統(tǒng)自身對(duì)于變量燃料泵排量的響應(yīng)是開環(huán)穩(wěn)定的, 這樣就可以采用簡(jiǎn)單的經(jīng)典控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪機(jī)理想模型的跟蹤, 大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型??紤]到燃燒室壓力對(duì)變量燃料泵排量和噴嘴數(shù)目變動(dòng)的響應(yīng)非常快, 因此可以采用合理選取參考模型的形式和參數(shù), 獲得較好的輸出響應(yīng)。
該簡(jiǎn)化參考模型為慣性環(huán)節(jié), 其傳遞函數(shù)為
采用PI控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)理想?yún)⒖寄P洼敵龅母?/p>
聯(lián)立式(9)和式(10)得到控制器輸出的變量燃料泵控泵參數(shù)
進(jìn)而聯(lián)立式(8), 得到雙參數(shù)渦輪機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)
用已建立的系統(tǒng)模型和控制算法對(duì)基于變量泵和噴嘴數(shù)的無(wú)級(jí)變速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算。圖2為采用固定噴嘴數(shù)僅改變變量燃料泵流量的單參數(shù)調(diào)節(jié)方式, 圖中曲線為水下航行器在恒深、變速(減速再加速)情況下, 對(duì)各狀態(tài)變量的過(guò)渡過(guò)程, 數(shù)字1, 2, 3分別代表燃燒室壓力、流過(guò)噴嘴的流量和渦輪前溫度。圖3和圖4為水下航行器在噴嘴數(shù)目開環(huán)調(diào)節(jié)、變量燃料泵排量轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)的雙參數(shù)控制下, 動(dòng)力系統(tǒng)加速和減速時(shí), 燃燒室壓力和渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程, 圖中曲線1, 2分別為燃燒室壓力和系統(tǒng)轉(zhuǎn)速。從圖中可以看出, 在燃料流量和噴嘴數(shù)調(diào)節(jié)同步進(jìn)行時(shí), 系統(tǒng)的壓力和轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn), 超調(diào)。
圖2 噴嘴數(shù)目為12時(shí)歸一化狀態(tài)變量圖
圖3 低速變高速時(shí)歸一化狀態(tài)變量圖
圖4 高速變低速時(shí)歸一化狀態(tài)變量
圖5和圖6描述了針對(duì)單一流量調(diào)節(jié)和雙變量調(diào)節(jié)2種控制模式, 航行器在不同航深下在低速和中速時(shí)工質(zhì)秒耗量對(duì)比。圖中曲線1, 2分別為單一流量調(diào)節(jié)和雙變量調(diào)節(jié)下燃料秒耗量。由圖可知, 采用雙變量調(diào)節(jié)控制模式的經(jīng)濟(jì)性高于單一流量調(diào)節(jié)。
圖5 低速時(shí)工質(zhì)秒耗量對(duì)比
圖6 中速時(shí)工質(zhì)秒耗量對(duì)比
從仿真結(jié)果可以看出, 水下航行器渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)采用噴嘴數(shù)開環(huán)調(diào)節(jié)和變量燃料泵流量閉環(huán)調(diào)節(jié)的雙變量方式, 系統(tǒng)壓力波動(dòng)和轉(zhuǎn)速波動(dòng)小, 運(yùn)行會(huì)更加平穩(wěn), 同時(shí)較采用單一流量調(diào)節(jié)的系統(tǒng)具有更低的燃料秒耗量, 對(duì)于水下航行器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)航程以及無(wú)級(jí)變速具有一定的指導(dǎo)意義。
[1] 李宏, 徐德民, 李治典, 等. 電動(dòng)力魚雷驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑[J]. 魚雷技術(shù), 2003, 11(2):29-32. Li Hong, Xu De-min, Li Zhi-dian, et al. Technical Ways of Realizing Stepless Speed Regulation by Propulsion Motor of Electric Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2003, 11(2):29-32.
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Stepless Speed Turbine System Based on Variable Flow Pump and Nozzles
ZHAO Kuan-ming1,2, YANG Cheng-shi2, LU Kai1, QIAN Zhi-bo1, ZHU Yun-jin3
(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 3. Xi′an Marine Equipment Engineering Research Academy, Xi′an 710077, China)
For the low energy transformation efficiency of the turbine system controlled by single variable flow rate, a bi-variable control method combining open-loop control of working nozzle number and closed-loop control of variable flow rate of fuel pump is proposed to realize stepless speed control of turbine engine. An improved adaptive control algorithm is used for the closed-loop control. This bi-variable control method is simple and suitable for anti-ship and anti-submarine autonomous underwater vehicles, and can make the turbine system work with high efficiency and stability. Simulation result indicates that the turbine system with the bi-variable control achieves lower fluctuation in both pressure and speed, and obtains a 28% reduction in fuel consumption of the system and a 230 K decrease in temperature of foreside of turbine vane, compared with the turbine system with single variable control.
autonomous underwater vehicle; turbine engine; flow of propellant; nozzle number; adaptive control
TJ630.34
A
1673-1948(2012)03-0210-05
2011-07-15;
2011-11-24.
趙寬明(1966-), 男, 高級(jí)工程師, 在讀博士, 研究方向?yàn)闊釀?dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)控制與仿真.
(責(zé)任編輯: 陳 曦)