渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)起動(dòng)控制規(guī)律改進(jìn)

王旭 鄒黎 劉夢(mèng)妮

摘 要：起動(dòng)性能是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)非常重要的性能指標(biāo)。但是起動(dòng)過(guò)程是一個(gè)典型的非線性變化過(guò)程，影響因素眾多，很難精確計(jì)算和控制，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)確定起動(dòng)過(guò)程的供油規(guī)律一直是人們重點(diǎn)研究的課題。而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)快速發(fā)展，全權(quán)限數(shù)控系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，為起動(dòng)過(guò)程的控制帶來(lái)便利。在燃油控制系統(tǒng)研究中，解析了起動(dòng)油量控制的原理，提出兩種控制方法，并通過(guò)工程研制過(guò)程中的試驗(yàn)驗(yàn)證逐步改進(jìn)，將兩種控制方法融合為一種方法。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī);全權(quán)限數(shù)控系統(tǒng);起動(dòng)規(guī)律優(yōu)化

中圖分類號(hào)：V233 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）09-0136-03

起動(dòng)系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的系統(tǒng)之一，起動(dòng)性能是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)非常重要的性能指標(biāo)。起動(dòng)過(guò)程涉及高速轉(zhuǎn)動(dòng)、熱力燃燒、瞬態(tài)氣動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)、自動(dòng)控制等多方面因素，各方面非線性耦合相互影響，使得起動(dòng)過(guò)程非常復(fù)雜，很難精確計(jì)算和控制。

20世紀(jì)90年代以前，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)主要依靠機(jī)械液壓和少量的電子監(jiān)控，因此起動(dòng)包線較窄，往往在冬季和夏季采用不同的起動(dòng)供油規(guī)律，給機(jī)務(wù)人員帶來(lái)大量的維護(hù)工作量。而且這種起動(dòng)方法可靠性較低，非常依賴直升機(jī)飛行員個(gè)人使用經(jīng)驗(yàn)[1]。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在開始大規(guī)模采用全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)來(lái)控制起動(dòng)過(guò)程[2-3]。相比傳統(tǒng)的機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)，全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)是可以根據(jù)采集的外部環(huán)境和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算和分析，自動(dòng)控制起動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)部件，改善起動(dòng)性能。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)特性改變時(shí)，可通過(guò)起動(dòng)規(guī)律自適應(yīng)設(shè)計(jì)，在一定范圍內(nèi)彌補(bǔ)特性改變導(dǎo)致的起動(dòng)性能衰減，因此起動(dòng)控制規(guī)律是全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)能否發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在。

1起動(dòng)供油給定原理分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理的本質(zhì)是將燃油和空氣混合后燃燒產(chǎn)生熱能，再由渦輪將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。因此航空發(fā)動(dòng)機(jī)最基礎(chǔ)和重要的控制手段就是燃油流量，在起動(dòng)階段更是如此。起動(dòng)供油規(guī)律一般按以下原理給定：

（1）等余氣系數(shù)。根據(jù)燃燒原理[4]，為保證燃燒室的穩(wěn)定性，不進(jìn)入富油邊界和貧油邊界，必須使余氣系數(shù)α維持在一定范圍內(nèi)，甚至保持不變。因此當(dāng)燃燒室進(jìn)口空氣流量Wa變化時(shí)，燃油供油量Wf也需要隨之變化：

在目前的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)裝直升機(jī)后，燃燒室進(jìn)口流量較難測(cè)量或計(jì)算，因此一般不使用上式進(jìn)行控制。

（2）根據(jù)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速ng和壓氣機(jī)出口總壓P3控制油量。在起動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)外界條件和發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型不變時(shí)，起動(dòng)過(guò)程中燃燒室進(jìn)口空氣流量可視為燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速ng或者壓氣機(jī)出口總壓P3的單調(diào)遞增函數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)較為容易測(cè)量，因此可根據(jù)和ng和P3的插值函數(shù)來(lái)控制Wf：

但由于起動(dòng)過(guò)程中壓氣機(jī)特性在此狀態(tài)下偏差較大，因此燃油流量與燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速ng和壓氣機(jī)出口總壓P3之間的具體關(guān)系式需要根據(jù)起動(dòng)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行修正。

（3）大氣條件的修正。大氣溫度和大氣壓力對(duì)起動(dòng)有較大的影響[5]，因此還必須根據(jù)大氣溫度和大氣壓力來(lái)對(duì)動(dòng)燃油流量進(jìn)行修正，以保證合適的油氣比和抵消環(huán)境對(duì)起動(dòng)的不利影響。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)相似換算原理：

式中π為當(dāng)前大氣壓力與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力的比值，θ為當(dāng)前大氣溫度與標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度的比值。

為保持在任何大氣條件下，余氣系數(shù)α一致，燃油流量必須滿足以下公式：

但是上式只考慮了油氣比和氣動(dòng)載荷對(duì)起動(dòng)的影響，沒(méi)有考慮低溫下起動(dòng)機(jī)械阻力矩急劇增加的影響，也沒(méi)有考慮高空條件，壓力的大幅變化導(dǎo)致?lián)Q算誤差增大的影響。

因此為提高邊界條件下的起動(dòng)性能，一般需增加額外的溫度和壓力修正，因此典型的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)供油修正為：

式中Kp為壓力修正系數(shù)，Kt為溫度修正系數(shù)。

2起動(dòng)供油控制方法

2.1基礎(chǔ)起動(dòng)供油方法

目前起動(dòng)油量控制工程應(yīng)用主要有兩種方法，除了根據(jù) ng轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算給定燃油量供油的方法外，還可以根據(jù)起動(dòng)時(shí)間需求以ng加速度作為控制變量進(jìn)行供油：

（1）根據(jù)ng轉(zhuǎn)速給定燃油油量。根據(jù)余氣系數(shù)α和工程經(jīng)驗(yàn)計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下起動(dòng)供油燃油流量。

非標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的燃油流量Wf和ng轉(zhuǎn)速的關(guān)系后根據(jù)大氣條件來(lái)修正。

（2）給定ng轉(zhuǎn)速加速度控制。給定加速度的方法和給定燃油流量控制原理基本一致，只是在燃油流量和ng轉(zhuǎn)速的關(guān)系式中增加加速度小閉環(huán)：

首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)條件下ng起動(dòng)至地面慢車的時(shí)間要求，計(jì)算出起動(dòng)過(guò)程中平均ng轉(zhuǎn)速加速度。由于在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中起動(dòng)速度是逐步增加的，因此一般將起動(dòng)初期的ng轉(zhuǎn)速加速度減小，起動(dòng)后期的ng轉(zhuǎn)速加速度增加，保持總的起動(dòng)時(shí)間不變。

在起動(dòng)過(guò)程中數(shù)控系統(tǒng)按給定的的ng加速度進(jìn)行供油，如當(dāng)前ng轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的ng加速度小于預(yù)定加速度便增加油量，反之減少。

2.2分階段供油方法

兩種起動(dòng)油量控制在工程應(yīng)用上各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，具體分析見表1。

由于兩種起動(dòng)供油方法都存在明顯的缺點(diǎn)，因此為得到較好的起動(dòng)性能，可采取分階段控制，在不同的階段采用不同的控制方式：

（1）起動(dòng)初始階段。在起動(dòng)初始階段（起動(dòng)電機(jī)開始帶轉(zhuǎn)→ng轉(zhuǎn)速超過(guò)ng平衡）采用給定燃油油量控制。在起動(dòng)初期，起動(dòng)性能主要取決于起動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)，環(huán)境條件對(duì)起動(dòng)的影響在此階段較小，采用燃油給定控制的修正參數(shù)的精確度可適當(dāng)降低。

在起動(dòng)初期，起動(dòng)電機(jī)性能變化較大時(shí)，采用給定加速度控制有可能導(dǎo)致超溫或懸掛。

（2）第二階段。在起動(dòng)后期采用給定加速度控制（ng轉(zhuǎn)速超過(guò)ng平衡→慢車狀態(tài)）。因?yàn)椴捎媒o定加速度控制對(duì)環(huán)境溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)特性變化均有較好的適應(yīng)性，很容易確定修正系數(shù)。

采用此種分階段的控制方法，可保障在全包線范圍內(nèi)起動(dòng)順利起動(dòng)。通過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證表明，采用分階段的控制方法，在高度范圍0m～5500m，溫度范圍-20℃～50℃的包線內(nèi)，不需要修改任何軟件和硬件，均可順利的起動(dòng)至地面慢車。

3分段式起動(dòng)控制方法改進(jìn)

3.1分段式起動(dòng)控制故障

分階段起動(dòng)供油控制方法雖然能較好的解決起動(dòng)問(wèn)題，但是由于起動(dòng)初始階段采用單一的給定燃油控制，如果發(fā)動(dòng)機(jī)自身特性的改變，這種控制方法無(wú)法自適應(yīng)[6-7]。

在發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段可通過(guò)嚴(yán)格的加工質(zhì)量和繁雜的出廠驗(yàn)收手段來(lái)保障起動(dòng)的成功率。但是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入大批量生產(chǎn)時(shí)，過(guò)于嚴(yán)格的起動(dòng)控制系統(tǒng)的加工精度和出廠驗(yàn)收要求為生產(chǎn)成本帶來(lái)巨大的壓力，使產(chǎn)品的使用性降低。

影響起動(dòng)性能的發(fā)動(dòng)機(jī)自身特性主要有：（1）各部件效率;（2）渦輪導(dǎo)向器面積;（3）可調(diào)壓氣機(jī)導(dǎo)葉;（4）壓氣機(jī)級(jí)間放氣;（5）燃油泵特性;（6）起動(dòng)機(jī)特性。

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在采用分階段的起動(dòng)供油控制方法的外場(chǎng)批產(chǎn)使用過(guò)程中，由于燃油泵特性出現(xiàn)變化，在大氣溫度低于-5℃時(shí)，出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)懸掛現(xiàn)象。

通過(guò)排故定位，故障原因是由于數(shù)控系統(tǒng)中燃油泵調(diào)節(jié)器的溫度補(bǔ)償片在低溫天過(guò)度補(bǔ)償導(dǎo)致，其原理如下：

燃油泵調(diào)節(jié)器的壓差活門內(nèi)部設(shè)置有6片溫度補(bǔ)償片，如圖1所示，溫度補(bǔ)償片的材料為雙金屬片，其工作原理是通過(guò)感受燃油溫度的變化發(fā)生形變（膨脹或收縮），使壓差活門彈簧伸縮，進(jìn)而改變計(jì)量活門前后的燃油壓力差，以補(bǔ)償燃油密度隨溫度變化對(duì)計(jì)量燃油質(zhì)量流量的影響。

當(dāng)燃油溫度升高時(shí)，燃油密度降低，導(dǎo)致質(zhì)量流量減少，此時(shí)，溫度補(bǔ)償片膨脹，使彈簧壓縮，則計(jì)量活門供油型孔前后的燃油壓力差增大，對(duì)于同一計(jì)量活門開度，計(jì)量燃油的容積流量增加，保證供給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油質(zhì)量流量基本不變。

但是，如果溫度補(bǔ)償片設(shè)置不合理，或因材料缺陷、加工尺寸等問(wèn)題導(dǎo)致自身的溫度形變特性異常，則會(huì)使其在溫度變化時(shí)變形較大或較小，導(dǎo)致流量過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償。

當(dāng)大氣溫度較低時(shí)，控制系統(tǒng)給出的實(shí)際燃油流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于需求燃油流量，導(dǎo)致起動(dòng)懸掛，具體情況見圖2。

通過(guò)上述分析，表明當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)本身的起動(dòng)特性產(chǎn)生變化超過(guò)一定范圍時(shí)，分階段的起動(dòng)控油方法不能完全消除不利影響，需要依靠嚴(yán)格的出廠檢驗(yàn)保障發(fā)動(dòng)機(jī)特性變化在一定范圍內(nèi)。

3.2起動(dòng)控制自適應(yīng)方法改進(jìn)

為進(jìn)一步提升起動(dòng)控制規(guī)律對(duì)方劑特性變化的自適應(yīng)能力，參考模糊控制原理對(duì)起動(dòng)控制方法可實(shí)施優(yōu)化改進(jìn)。

在起動(dòng)的初始階段可以采用以給定燃油為標(biāo)定基礎(chǔ)，以ng加速度為主變量進(jìn)行控制，將余氣系數(shù)作為限制的復(fù)合性控制方法，控制示意圖見圖3。

對(duì)復(fù)合性控制方法簡(jiǎn)化舉例說(shuō)明如下：

當(dāng)ng轉(zhuǎn)速為20%時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)以恒定加速度X（r/min/s）進(jìn)行控制，而給定燃油限制值的基準(zhǔn)為Y（kg/h）。

（1）當(dāng)前加速度

（2）當(dāng)前加速度>X（r/min/s），減少起動(dòng)供油量，但最多不超過(guò)Y-Z（kg/h）。

其中Z的上限值需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振邊界和燃?xì)鉁u輪進(jìn)口溫度限制，避免起動(dòng)超溫和喘振;Z的下限值需考慮燃燒室熄火邊界和起動(dòng)時(shí)間的限制，避免起動(dòng)熄火或起動(dòng)超時(shí)。

3.3改進(jìn)效果

這種復(fù)合性控制方法能有效改進(jìn)起動(dòng)性能，能有效彌補(bǔ)由于發(fā)動(dòng)機(jī)自身特性變化導(dǎo)致的起動(dòng)性能改變，如起動(dòng)電機(jī)特性變化導(dǎo)致超溫或懸掛的問(wèn)題，控制系統(tǒng)溫漂等問(wèn)題。

在某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上開展了復(fù)合性起動(dòng)控制方法低溫下的起動(dòng)驗(yàn)證，起動(dòng)對(duì)比曲線見圖3。

由圖4曲線可看到，即使在低溫下燃油泵調(diào)節(jié)器過(guò)補(bǔ)償了7kg/h油量，但是通過(guò)復(fù)合性控制的補(bǔ)充，起動(dòng)成功，其ng和T4.5上升趨勢(shì)和直接增加燃油流量基本一致。說(shuō)明復(fù)合性控制方法能很好的適應(yīng)環(huán)境的改變，也能自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)特性的改變，而且不需要針對(duì)所有環(huán)境進(jìn)行出廠試驗(yàn)校核，極大的降低了發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)成本。

4結(jié)論

（1）在燃油控制系統(tǒng)研究中，根據(jù)ng轉(zhuǎn)速給定燃油油量和根據(jù)給定ng轉(zhuǎn)速加速度控制，兩種方法均存在缺陷。

（2）通過(guò)分階段控制的燃油控制方法，可在一定程度上彌補(bǔ)兩種起動(dòng)燃油控制方法的缺點(diǎn)。但是無(wú)法自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)自身特性的改變，需要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)出廠檢驗(yàn)來(lái)保障發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)特性變化。

（3）采用復(fù)合性控制方法，可有效自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和自身特性的改變，而且不需要針對(duì)所有環(huán)境進(jìn)行出廠試驗(yàn)校核，簡(jiǎn)化了出廠驗(yàn)收流程，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)成本。

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