航空發動機閉環起動系統設計及試驗驗證

王日平，崔利豐，馮力，徐鑫，王小鵬，楊奔

（1.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015；2.中國航發控制系統研究所，江蘇無錫 214063；3.中國航發西安動力控制科技有限公司，西安 710077）

0 引言

起動是航空發動機控制系統的關鍵技術之一，包括地面起動和空中起動。發動機用戶和通用規范對起動過程基本要求是起動時間短、不超溫、不喘振、不懸掛，因此提高航空發動機起動成功率對飛機正常執行任務起著至關重要的作用。起動系統分為開環起動系統和閉環起動系統，近年來，隨著高性能數字電子控制器的應用和發展，中國在多型號發動機上實現了閉環起動，提高了起動成功率。但是，目前部隊配裝的發動機占主導地位的起動系統仍為液壓機械式開環起動系統，起動性能欠佳，尤其在高原起動困難，需要根據大氣溫度或海拔高度變化頻繁調整，增加機務工作量，影響飛行任務的執行。另外根據用戶需求，解決發動機起動困難和頻繁調整問題，要保證飛機和發動機接口不變，因此在原有液壓機械式開環起動系統的基礎上實現閉環起動的需求尤為迫切。

航空發動機液壓機械式開環起動系統逐漸被閉環起動系統取代。楊懿松等在航空渦軸發動機上采用了閉環起動系統，通過數字電子控制器計算給定轉速速率和反饋轉速速率偏差實現了供油的精確調節；李勝泉等針對航空發動機起動問題提出了一種基于轉速速率閉環的燃油流量調節方法；Richter同樣提到了基于轉速速率的閉環起動控制在起動成功率上的優勢；Sukhovii等對基于轉速速率閉環起動的控制算法進行了研究。上述對閉環起動供油調節方式的研究均為直接控制燃油計量活門開度，而對于在液壓機械式開環供油的基礎上進行燃油流量修正的研究仍屬空白。

本文針對某型航空發動機使用過程中存在的平原起動性能不佳、高原起動困難、需要頻繁調整和空中起動邊界較小的問題，首次提出了一種在開環起動系統的基礎上疊加供油修正系統后形成閉環起動系統的方法，并進行了試驗驗證。

1 基本原理

在原有起動裝置上，通過在主燃油泵調節器齒輪泵后燃油與計量活門后燃油之間增加帶補油油嘴的油路，并增加定壓活門、斷電放油閥、放油油嘴、層板以及由數字電子控制器控制占空比的補油電磁閥來實現閉環起動功能。閉環起動燃油修正原理如圖1所示。

圖1 閉環起動燃油修正原理

在起動供油階段，在高壓壓氣機轉子物理轉速低于設定轉速時，起動閉環功能不工作，流過補油油嘴的燃油通過斷電放油閥及層板回油，回油流量與補油油嘴流量相當，對計量后燃油流量不產生影響。達到設定轉速后，起動閉環功能開始發揮作用，通過斷電放油閥關閉放油油嘴的回油，此時回油通過補油電磁閥以及層板實現。數字電子控制器對比實際升高率與起動閉環控制規律的差異，計算出占空比驅動補油電磁閥放油。當升高率與數字電子控制器設計的控制規律一致時，補油電磁閥接收到調節器輸入的50%占空比信號，補油電磁閥及層板回油流量之和與補油油嘴流量相等，對計量后燃油流量不產生影響；當轉速升高率低于（或高于）設計的控制規律時，調節器給出低于（或高于）50%的占空比信號，驅動補油電磁閥使回油流量減小（或增大），實現在起動過程中按升高率閉環對供油量的修正。閉環起動系統原理如圖2所示。圖中，為轉速升高率設計值；為按和修正的轉速升高率計劃值為轉速升高率實際值，可查表得到（表格內容不再贅述）。

圖2 閉環起動系統原理

2 改進基礎

2.1 油源

某型航空發動機的起動燃油控制由主燃油泵調節器和起動裝置實現。其中主燃油泵調節器負責主燃油流量的計量工作；起動裝置的功能為接受到自動起動箱發出的指令，利用齒輪泵后燃油打開計量活門后燃油通往主燃燒室的供油油路。換句話說，該型發動機來自主燃油泵調節器的齒輪泵后燃油和計量活門后燃油均與起動裝置相連，改進后起動裝置正是利用這2路油源并增加補油油嘴實現補油功能，再通過增加1個數字電子控制器控制占空比的補油電磁閥進行放油控制，從而實現對主燃油泵調節器供出的燃油進行修正的功能。

2.2 數字電子控制器

為實現起動過程供油量基于升高率的閉環控制，控制系統需要采集實際升高率，并設計與大氣溫度、海拔高度等因素相關的控制規律，通過判斷實際升高率與控制規律的差異情況調整供油，以改善起動控制效果。為此研制了數字電子控制器，在原有接口中采集了和發動機進口總溫，另外其中內置了艙壓傳感器，因此在硬件輸入環節具備了實現閉環起動的能力。

2.3 電氣線路

某型航空發動機原有模擬式綜合電子調節器保留了渦輪冷卻功能的2根線路，通過飛機電纜連接至發動機主接線盒上，將模擬式電子調節器改為數字式電子控制器后，風扇導葉角度和高壓壓氣機可調靜子葉片角度角位移測試通道不再需要硬線進行溫度補償，剩余2根線路，因此控制系統在硬件輸出環節也具備了實現閉環起動的能力。

3 詳細設計

3.1 起動裝置改進設計

由于某型發動機不需要燃油激增功能，改進后J/RT-144起動裝置取消了實現燃油激增功能所用的切斷活門及燃油激增調整螺釘等相關零組件，用堵頭、堵塞等零件封堵了相關油路，為增加實現閉環起動功能所用的斷電放油閥、補油電磁閥、定壓活門、放油油嘴及帶補油油嘴的油路等相關零組件提供了空間，保證了燃油接口與安裝孔相對位置與原起動裝置一致，實現原位換裝。

改進后J/RT-144起動裝置原理如圖3所示。在燃油修正功能不工作時，斷電放油閥保持接通，補油電磁閥保持關斷，使通過補油油嘴增加的流量全部通過放油油嘴和層板回油，此時有

式中：為層板流量；為放油油嘴流量；為補油油嘴流量。

圖3 改進后J/RT-144起動裝置原理

燃油修正功能工作時，斷電放油閥保持斷開，補油油嘴增加的流量通過補油電磁閥和層板回油，此時有

式中：（）為占空比為時補油電磁閥流量；為燃油修正流量。

當=50%時，通過補油油嘴增加的流量全部通過補油電磁閥和層板回油，此時有

式中：為=50%時補油電磁閥流量。

3.2 軟件設計

在軟件設計上新增了閉環起動控制率模塊，采用基于升高率的PID控制方法。在控制算法中設計了轉速變比例系數和轉速升高率誤差修正系數。通過辨識發動機在起動過程中不同轉速段的轉速升高率特性，設計了轉速變比例參數，使發動機在起動過程中不同轉速段下都能獲得良好的控制效果，同時設計了基于轉速升高率的誤差修正系數，加快較大誤差下的轉速升高率響應速度，同時增強小誤差下的穩態性能，從而提升轉速升高率閉環控制效果。

地面起動控制規律計劃值為

風車起動、慣性自動起動控制規律計劃值為

式中：為大氣壓。

4 試驗驗證

4.1 地面臺架開環試驗

4.1.1 試驗結果

開環起動供油曲線如圖4所示。從圖中可見，調整釘初始位置和調整釘里擰36響共2個狀態供油曲線，每種狀態供油曲線均為斷電放油閥通電，補油電磁閥占空比分別為20%、50%、80%，分別對應閉環起動系統最大減油能力、平衡位置（不加油不減油）、最大加油能力的起動供油曲線，調整釘初始位置狀態在40%以前，供油修正能力較弱；在40%以后，供油修正能力明顯增強。調整釘里擰36響狀態在34%以前，供油修正能力較弱；在34%以后，供油修正能力明顯增強。試驗結果表明閉環起動系統具備燃油修正能力。

圖4 開環起動供油曲線

4.1.2 原因分析

起動控制器原理如圖5所示。從圖中可見，調整釘、高壓壓氣機后壓力以及主燃油泵調節器計量活門后油壓共同影響起動回油活門的開度。

圖5 起動控制器原理

一方面，在起動前段，起動回油活門具有一定的開度，起動裝置對供油量的修正會影響主燃油泵調節器計量活門后燃油壓力，若起動裝置做出增加供油量的修正，則計量活門后油壓升高，造成起動回油增加，一定程度減少了計量活門后油量，表現為起動裝置對增加供油的修正能力降低；若起動裝置做出減少供油量的修正，則計量活門后油壓會降低，造成起動回油減少，一定程度上增加了計量活門后油量，表現為起動裝置對減少供油的修正能力降低。隨著起動轉速的升高，起動回油活門關斷，不再對起動裝置的供油修正能力產生影響，此時起動裝置的供油修正能力明顯提高。

另一方面，調整釘控制起動回油活門關斷的時機，調整釘順時針方向擰入（里擰），調準彈簧預緊力增大，則起動回油活門關斷的時機會出現在較低的位置；相反調整釘逆時針方向擰出（外擰），調準彈簧預緊力減小，則起動回油活門關斷的時機出現在較高的位置。從圖4中可見，調整釘里擰36響后，燃油修正能力明顯提高的拐點從40%提前到34%。

4.2 地面臺架閉環試驗

4.2.1 失速對比試驗結果

通過調整釘里擰6響、調整釘里擰15響對起動過程進行大幅度加油，發動機在此狀態下分別進行開環起動和閉環起動，失速對比試驗供油曲線如圖6所示。在開環狀態下，發動機失速轉速下掉，起動失敗。在閉環起動后供油修正系統投入工作，減少供油量則發動機起動成功，可以認為閉環起動系統可以解決發動機起動失速的問題。

4.2.2 懸掛對比試驗結果

通過調整釘里擰0.25圈、調整釘外擰14響對起動過程進行大幅度減油，發動機在此狀態下分別進行開環起動和閉環起動，懸掛對比試驗供油曲線如圖7所示。在開環狀態下，發動機起動懸掛，起動失敗；閉環起動后供油修正系統工作，增加供油量發動機起動成功，可以認為閉環起動系統可以解決發動機起動懸掛的問題。

圖6 失速對比試驗供油曲線

圖7 懸掛對比試驗供油曲線

4.3 高空臺試驗

4.3.1 風車起動試驗結果

高空臺風車起動試驗結果見表1。從表中可見，在風車起動過程中，發動機點火成功進入轉速升高率閉環控制后，風車起動能力有所提高。其中在高度=5 km時，表速左移50 km/h（要求600 km/h）；在=8 km時，左移100 km/h（要求650 km/h）；在=10 km時，左移100 km/h（要求700 km/h）。

表1 高空臺風車起動試驗結果

4.3.2 慣性起動試驗結果

高空臺慣性起動試驗結果見表2。從表中可見，在慣性起動過程中，發動機點火成功進入轉速升高率閉環控制后，慣性起動能力有所提高。在≥8 km時，左移100 km/h（要求650 km/h）。

表2 高空臺慣性起動試驗結果

4.4 首翻期壽命試驗

閉環起動系統隨發動機完成了600 h首翻期壽命試驗，共進行795次起動，僅1次失敗，原因為更換主泵后點火油壓偏高，此時閉環系統還沒有投入工作，起動失敗次與閉環系統無關。

4.5 試飛考核試驗

閉環起動系統隨發動機完成了試飛考核試驗，空中風車起動試驗結果見表3。從表中可見，在風車起動過程中，發動機點火成功進入轉速升高率閉環控制后，風車起動能力有所提高。其中在=5 km時，左移50 km/h（要求600 km/h）；在=8 km時，左移50 km/h（要求650 km/h），在=10 km時，左移50 km/h（要求700 km/h）。

表3 空中風車起動試驗結果

空中慣性起動試驗結果見表4。從表中可見，在慣性起動過程中，發動機點火成功進入轉速升高率閉環控制后，慣性起動能力滿足要求。其中在≤8 km時，要求500 km/h；在＞8 km時，要求650 km/h。

表4 空中慣性起動試驗結果

4.6 高原驗證

配裝閉環起動系統的某型發動機在高原進行試驗。其中一部分發動機不經調整就能可靠起動，另一部分起動失敗的發動機表現為到達68%懸掛（轉速和溫度均不升高），分析認為閉環起動系統在=68%時退出工作，此時加速油量偏少導致發動機懸掛。針對該問題，將閉環起動系統退出工作的改為70%，經試驗驗證，發動機能夠可靠起動，進一步表明閉環起動的有效性。

5 結論

（1）在發動機液壓機械式開環起動系統的基礎上疊加供油修正系統后形成閉環起動系統，實現了發動機的閉環起動，大幅提高了發動機的起動成功率；

（2）在保證燃油接口不變的約束下，通過借用原有油源及增加電液轉換指令相結合的方式改進設計了一種帶燃油流量修正功能的起動裝置，實現了在原液壓機械供油規律基礎上進行燃油流量修正的功能，提高了發動機起動裕度。在最少增加零組件的前提下實現燃油調節，結構簡單，可靠性高；

（3）地面臺架閉環試驗表明，在開環起動時失速及懸掛的發動機，在閉環起動時起動成功；

（4）高空臺試驗及試飛試驗表明，閉環起動系統可以使空中風車起動和慣性起動包線一定程度地左移；

（5）高原驗證表明，閉環起動系統能夠保證發動機在高原可靠起動。