基于轉速變化率控制的渦扇發(fā)動機地面起動試驗研究

申世才，郝曉樂

（中國飛行試驗研究院發(fā)動機所，西安710089）

基于轉速變化率控制的渦扇發(fā)動機地面起動試驗研究

申世才，郝曉樂

（中國飛行試驗研究院發(fā)動機所，西安710089）

首先介紹了轉速變化率起動方案，然后介紹了試驗對象、測量方案、試驗內容及數(shù)據(jù)處理，最后對采用轉速變化率控制的渦扇發(fā)動機地面起動進行了試驗研究。結果表明：起動過程轉子轉速上升平穩(wěn)，排氣溫度較為理想，起動機脫開和功率提取對轉速變化率影響較大；起動成功率高，且起動時間和排氣溫度有較大的裕度，起動性能可進一步提升；熱態(tài)起動前若發(fā)動機通道內余溫較高，可能導致起動失敗。

渦扇發(fā)動機；起動控制規(guī)律；轉速變化率；起動性能；排氣溫度；熱懸掛；通道余溫

1　引言

航空發(fā)動機的起動過程是一個復雜的過渡態(tài)，不同的大氣溫度、發(fā)動機冷、熱態(tài)等因素均影響起動性能，而起動性能直接影響發(fā)動機的使用特性。GJB 243A-2004《航空燃氣渦輪動力裝置飛行試驗要求》明確規(guī)定，發(fā)動機的地面起動應迅速可靠。因此，發(fā)動機起動性能一直是設計者和試驗方非常重視的研究課題。

設計合理的起動供油控制規(guī)律對發(fā)動機起動性能至關重要［1-4］。目前，以油氣比作為控制變量的起動供油控制規(guī)律為渦扇發(fā)動機普遍采用，其中以АЛ-31Ф系列發(fā)動機為典型代表。油氣比起動控制規(guī)律對渦輪前燃氣溫度提供了一種很好的控制作用，且具有自動消除喘振的特性［5］。但正是這種特性，使得油氣比起動供油控制規(guī)律依賴于燃油流量的控制精度。由于起動過程的供油量小且難以精確計量和控制，導致起動過程中燃氣溫度超溫、壓縮系統(tǒng)喘振的可能性增加，從而影響發(fā)動機起動可靠性［6］。相比之下，基于轉速變化率控制的起動供油控制規(guī)律，對燃油流量的控制精度不敏感，且不受發(fā)動機制造差異、老化和性能退化的影響［5-6］。文獻［7］基于全權限數(shù)字式發(fā)動機控制系統(tǒng)，提出了一種轉速速率閉環(huán)的渦軸發(fā)動機起動過程燃油調節(jié)方式，可提高起動成功率。但迄今為止，轉速變化率閉環(huán)的起動供油控制規(guī)律，在渦扇發(fā)動機地面起動中的應用少見公開文獻提及。本文基于某型渦扇發(fā)動機，對采用轉速變化率控制的發(fā)動機地面起動進行了試驗研究。

2　轉速變化率起動

以渦扇發(fā)動機地面起動為例，起動過程可分為三個階段［8-9］。第一階段，燃氣渦輪起動機帶轉轉子至發(fā)動機點火成功，該階段單純靠起動機帶轉，有：

式中：NCT為起動機功率，NC為壓氣機功率，ηm為轉子效率，n為轉子轉速，J為轉子轉動慣量。

第二階段，發(fā)動機點火成功進入轉速變化率控制至起動機脫開，有：

式中：NT為渦輪功率。該階段轉子轉速變化率，由起動機功率和渦輪功率減去壓氣機功率后的剩余功率確定。

第三階段，起動機脫開至慢車轉速，有：

該階段轉子轉速變化率由渦輪剩余功率確定。實際上，對于需要卸載的起動過程，上述三個階段為簡化的經驗模型，且未考慮各種摩擦所消耗的功率、飛機引氣和飛機附件的功率提取（交流發(fā)電機、直流發(fā)電機及液壓泵等）。若考慮這些因素對起動的影響，上述公式中要相應地減去這些功率。

由以上分析可知，轉子轉速變化率由起動機、渦輪、壓氣機的功率及功率提取等共同確定。轉子轉速變化率起動控制如圖1所示，采集發(fā)動機高壓轉子轉速等輸入參數(shù)，給定高壓轉子轉速變化率的計劃值。采集發(fā)動機轉速等輸入參數(shù)，給定轉速變化率的計劃值。若轉子變化率未達到計劃值，則增加燃燒室供油量，直至轉子變化率達到計劃值；若轉子變化率超過計劃值，則減少主燃燒室供油量，直至轉子變化率減小至計劃值。因此，轉速變化率起動供油控制規(guī)律，減弱了對燃油流量控制精準的需求。同時，針對發(fā)動機起動過程的復雜性和多影響因素，還應補充制定發(fā)動機懸掛、喘振、排氣溫度等限制計劃，保證發(fā)動機起動成功率。

圖1　轉速變化率起動控制框圖Fig.1 Start control laws with rotor speed variation

3　試驗對象、測量方案及試驗內容

3.1試驗對象

被試發(fā)動機為加力式渦扇發(fā)動機，其增壓系統(tǒng)由風扇、高壓壓氣機組成，燃燒室為短環(huán)形燃燒室，控制系統(tǒng)為全權限數(shù)字電子控制系統(tǒng)。地面起動采用轉速變化率起動控制方案。發(fā)動機地面起動先由電起動機帶轉燃氣渦輪起動機，再由燃氣渦輪起動機帶轉發(fā)動機至一定轉速，發(fā)動機噴油、補氧和點火，按預定邏輯時序執(zhí)行起動程序。

3.2測量方案

采用KAM500采集器采集測量參數(shù)，測取的起動過程相關的發(fā)動機及起動機參數(shù)，見表1所示，測量點分布如圖2所示。

表1　測試參數(shù)Table 1 Test parameters

3.3試驗內容及數(shù)據(jù)處理

在不同大氣溫度條件下進行冷態(tài)、熱態(tài)起動試驗。分別以標準大氣條件下地面起動的最大允許時間和最大允許排氣溫度為標準值，進行無量綱處理，得到相對起動時間tˉ和相對排氣溫度6。

高壓轉子轉速和低壓轉子轉速相對于發(fā)動機進口總溫換算，分別得到高壓轉子換算轉速nHcor和低壓轉子換算轉速nLcor。

圖2　主要測試參數(shù)測量點示意圖Fig.2 Sketch map of measuring points

4　試驗結果

4.1起動過程分析

轉速變化率地面起動過程典型參數(shù)時間歷程如圖3所示。由圖中可知，起動的第一階段（0～0.30相對起動時間）：由起動機帶轉高、低壓轉速上升。

圖3　轉速變化率起動過程典型參數(shù)時間歷程Fig.3 Representative parameters in the start process with rotor speed variation

起動的第二階段（0.30～0.68相對起動時間）：發(fā)動機點火成功后，相對排氣溫度迅速上升，轉子轉速變化率迅速增加，轉子轉速變化率反饋值逐漸接近控制計劃給定值；0.44～0.48相對起動時間內，轉子轉速變化率和相對排氣溫度變化率達到一個峰值后開始逐漸降低，轉子轉速變化率反饋值逐漸偏離控制計劃給定值，0.48相對起動時間相對排氣溫度變化率轉為上升趨勢，說明為保證轉子轉速變化率與控制計劃的符合性，燃燒室供油速率增加；0.53相對起動時間，轉子轉速變化率開始保持在穩(wěn)定狀態(tài)，相對排氣溫度變化率轉為下降趨勢，轉子轉速變化率反饋值沿控制計劃給定值小范圍波動，反饋值與給定值基本保持一致，相對排氣溫度變化率繼續(xù)降低。

起動的第三階段（0.68～0.89相對起動時間）：0.68相對起動時間起動機脫開時，轉子轉速變化率反饋值和控制計劃給定值迅速降低后轉為上升趨勢；0.75相對起動時間開始功率提?。w機提取功率）時，轉子轉速變化率反饋值迅速降低，偏離控制計劃給定值；0.68～0.75相對起動時間內，相對排氣溫度變化率相應地出現(xiàn)突升現(xiàn)象，說明由于起動機脫開和功率提取剩余功率不足，必須增加渦輪功率；0.77相對起動時間后，轉子轉速變化率快速增加，相對排氣溫度達峰值后開始逐漸降低，至0.89相對起動時間起動成功。

整個起動過程，轉子轉速變化率反饋值與控制計劃給定值符合性較好，轉子轉速上升平穩(wěn)，排氣溫度較為理想。

4.2起動性能

共計進行了100多次地面起動試驗，除地面熱態(tài)起動時曾出現(xiàn)1次熱懸掛而導致起動失敗外，其余起動全部成功，起動成功率大于99%。相對起動時間和起動過程的相對排氣溫度峰值統(tǒng)計見圖4、圖5，圖中Th為大氣溫度。可見，相對起動時間在0.73～0.91之間，且隨著大氣溫度的增加逐漸增加；起動過程相對排氣溫度的峰值在0.59～0.79之間，且隨著大氣溫度的增加逐漸增加。因此，起動時間和排氣溫度存在較大裕度，起動性能還有潛力可挖。

4.3存在問題

地面熱態(tài)起動出現(xiàn)熱懸掛時起動過程典型參數(shù)變化如圖6所示?？梢?，起動的第二階段發(fā)動機點火成功后，轉子轉速變化率反饋值開始增加，但隨后約0.1相對起動時間即開始轉入降低趨勢，偏離控制計劃給定值，出現(xiàn)熱懸掛現(xiàn)象，最終排氣溫度超溫，收油門桿停車。

圖4　相對起動時間隨大氣溫度的變化關系Fig.4 Relationship of start time and atmospheric temperature

圖5　相對排氣溫度峰值隨大氣溫度的變化關系Fig.5 Relationship of maximal exhaust temperature in the start process and atmospheric temperature

圖6　起動熱懸掛停車典型參數(shù)歷程曲線Fig.6 Representative parameters in failed start process due to hot hang-up

對比相同進氣條件下熱態(tài)起動成功的試驗數(shù)據(jù)（圖7）可知，起動失敗的試驗在點火供油之后，高壓壓氣機后壓力相對偏低，逐漸偏離正常趨勢，說明在點火成功后即第二階段初期壓氣機就出現(xiàn)了失速，從而導致燃燒室供油量增加，渦輪后排氣溫度急劇上升，高、低壓轉速上升緩慢，出現(xiàn)熱懸掛現(xiàn)象。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，起動失敗的試驗起動機工作正常，而起動點火前渦輪后排氣溫度和高壓壓氣機進口溫度，分別高出14℃和12℃，這說明發(fā)動機通道內余溫相對較高，從而點火成功后引起壓氣機失速。

圖7　起動過程供油量和高壓壓氣機后壓力隨高壓換算轉速的變化Fig.7 The changes of fuel and pressure after high pressure compressor with corrected compressor speed in start process

5　結論

（1）起動過程，轉子轉速變化率反饋值和控制計劃給定值符合性較好，轉子轉速上升平穩(wěn)，排氣溫度較為理想，起動機脫開和功率提取對轉速變化率影響較大。

（2）起動成功率高，且起動時間和排氣溫度有較大的裕度，起動性能可進一步提升。

（3）熱態(tài)起動前若發(fā)動機通道內余溫較高，可能導致起動失敗。

（4）針對發(fā)動機通道內余溫較高時可能導致起動失敗的問題，加入表征發(fā)動機通道內溫度的參數(shù)（如高壓壓氣機進口溫度等）進行修正，應能改善起動情況，需開展進一步的試驗研究。

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Experiment investigation of a turbofan engine ground start based on the control laws of rotor speed variation

SHEN Shi-cai，HAO Xiao-le
（Engine Department of Chinese Flight Test Establishment，Xi'an 710089，China）

The closed cycle start control laws of rotor speed variation were introduced.Then the test object，measurement scheme，test plan and data processing were recommended.Finally，a turbofan engine start test was investigated with the control laws of rotor speed variation.The results indicate that the rotor speed rise smoothly，and the exhaust temperature is ideal.The engine starter cut-out and power extraction impact is evident to the rotor speed variation.The rate of successful start is high，and the starting time and exhaust temperature after turbo have lots of margin that the start performance can be improved further.However，the high temperature in the engine flow passage may lead to start failure.

turbofan engine；start control law；rotate speed variation；start performance；exhaust temperature；hot hang-up；temperature in flow passage

V235.1

A

1672-2620（2015）04-0011-04

2014-10-28；

2015-07-24

申世才（1983-），男，山東成武人，工程師，碩士，主要從事航空發(fā)動機性能特性研究。