劉 凱
(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所,沈陽110015)
某間冷燃?xì)廨啓C(jī)臺架試驗控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案研究
劉 凱
(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所,沈陽110015)
為了研究某間冷燃?xì)廨啓C(jī)的性能,需要研制1套控制系統(tǒng)完成燃?xì)廨啓C(jī)在臺架上的試車驗證,并視情對燃?xì)廨啓C(jī)的控制規(guī)律及參數(shù)進(jìn)行修改。介紹了某間冷燃?xì)廨啓C(jī)臺架試驗控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案,詳細(xì)地闡述該系統(tǒng)的組成、功能實現(xiàn)方案及控制邏輯、對燃?xì)廨啓C(jī)的安全保護(hù)及數(shù)據(jù)監(jiān)控等方面。描述了此系統(tǒng)的“六性”設(shè)計準(zhǔn)則、研制風(fēng)險、關(guān)鍵技術(shù)等。研究結(jié)果表明:該間冷燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的特點結(jié)構(gòu)簡單、原理合理、功能完善、技術(shù)成熟、工作安全可靠,證明該系統(tǒng)總體設(shè)計方案可行。
間冷燃?xì)廨啓C(jī);控制系統(tǒng);設(shè)計方案;航空發(fā)動機(jī)
某航改間冷燃?xì)廨啓C(jī)是國內(nèi)首臺間冷型燃?xì)廨啓C(jī),是中國在某簡單循環(huán)航改燃?xì)廨啓C(jī)的基礎(chǔ)上,開發(fā)的大功率艦用間冷燃?xì)廨啓C(jī)。為驗證其性能,需研制1套控制系統(tǒng)對臺架上的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行試車驗證,并視情對燃?xì)廨啓C(jī)的控制規(guī)律及參數(shù)進(jìn)行修改。
國外有大功率艦用間冷燃?xì)廨啓C(jī),但由于技術(shù)保護(hù)等原因,只能接觸有限的外圍技術(shù),而對間冷燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)、控制規(guī)律及控制關(guān)鍵參數(shù)等從來沒有相關(guān)介紹。國內(nèi)之前對簡單循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)有一定的研制經(jīng)驗,而對間冷燃?xì)廨啓C(jī)控制的相關(guān)研究一直處于原理及部件試驗狀態(tài),從未進(jìn)行試車驗證。從控制角度上看其與簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)主要區(qū)別是增加了燃?xì)廨啓C(jī)間冷系統(tǒng)。本文研究的控制系統(tǒng)設(shè)計方案的主導(dǎo)思想是從最大限度滿足間冷燃?xì)廨啓C(jī)的使用要求出發(fā),并考慮設(shè)計周期及成熟度,滿足間冷燃?xì)廨啓C(jī)演示驗證試驗時臺架調(diào)試要求。
本文介紹了某間冷燃?xì)廨啓C(jī)臺架試驗控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案,對燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的組成、功能實現(xiàn)方案及控制邏輯、燃?xì)廨啓C(jī)的安全保護(hù)、數(shù)據(jù)監(jiān)控等方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。對燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的“六性”設(shè)計準(zhǔn)則、研制風(fēng)險、關(guān)鍵技術(shù)等也進(jìn)行了初步描述。
1.1 設(shè)計思想
在方案設(shè)計中,從最大限度滿足間冷燃?xì)廨啓C(jī)的使用要求出發(fā),并考慮設(shè)計周期及成熟度,突出以下設(shè)計思想:(1)繼承以往燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的方案和部件方案,提高技術(shù)成熟度;(2)間冷系統(tǒng)控制部分單獨(dú)可調(diào),提高控制系統(tǒng)的靈活性;(3)充分消化和吸收間冷系統(tǒng)資料,提高控制系統(tǒng)的可靠性和可實現(xiàn)性。
1.2 方案概述
某間冷燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)由電子控制柜、控制軟件、監(jiān)控系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、傳感器和電氣系統(tǒng)等組成,控制原理如圖1所示,其中間冷系統(tǒng)控制原理如圖2所示。
從圖中可見,電子控制柜通過傳感器、開關(guān)量及通訊數(shù)據(jù)接收燃?xì)廨啓C(jī)狀態(tài)信息及指令,由電子控制柜(含控制軟件)按照燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)節(jié)計劃、控制規(guī)律和控制模式計算出所需的主燃油流量、壓氣機(jī)可調(diào)葉片角度以及相應(yīng)的電磁閥等開關(guān)量信號。電子控制柜輸出信號到燃油調(diào)節(jié)裝置、導(dǎo)葉調(diào)節(jié)裝置,給出燃?xì)廨啓C(jī)狀態(tài)的主燃油流量、壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度,同時通過位移傳感器將信號反饋到電子控制器,構(gòu)成閉環(huán)控制。
控制系統(tǒng)采用單通道、重要參數(shù)雙余度的全權(quán)限數(shù)字電子控制形式。該系統(tǒng)包括2個電子控制器(燃?xì)廨啓C(jī)控制器和間冷控制器),每個電子控制器各有1個CPU。燃?xì)廨啓C(jī)控制器實現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)除間冷系統(tǒng)以外全部控制和參數(shù)限制的功能,間冷控制器實現(xiàn)間冷系統(tǒng)的控制功能和參數(shù)監(jiān)控(包括機(jī)上間冷器進(jìn)口溫度控制和機(jī)外間冷系統(tǒng)控制)。2個控制器之間通過RS422總線及以太網(wǎng)絡(luò)總線交換信息。重要的控制回路采用雙線圈的雙電液伺服閥,傳感器采用雙余度。
(1)控制系統(tǒng)通過控制線路和以太網(wǎng)絡(luò)總線接收來自監(jiān)控臺的操作命令,對燃?xì)廨啓C(jī)的起動、加速、減速、穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行以及停車和重要參數(shù)限制實施全面的自動控制和安全保護(hù),能實現(xiàn)對燃?xì)廨啓C(jī)輔助系統(tǒng)的監(jiān)測和控制,能實現(xiàn)對燃?xì)廨啓C(jī)的故障診斷和重要參數(shù)的記錄、存儲和通訊。
(2)燃油系統(tǒng)主要由高壓齒輪泵、高壓油濾、燃油控制裝置、低導(dǎo)控制裝置、高導(dǎo)控制裝置、停車開關(guān)、燃油分配裝置組成,為燃燒室提供計燃油并控制高、低壓氣機(jī)可調(diào)導(dǎo)葉角度。燃油系統(tǒng)如圖3所示。
起動系統(tǒng)采用電起動方案,電起動機(jī)系統(tǒng)由電機(jī)、電機(jī)控制器、膜片聯(lián)軸器和電源控制盒組成,完成發(fā)動機(jī)的起動功能的要求,電起動機(jī)系統(tǒng)原理如圖4所示。
1.3 控制功能實現(xiàn)方案
間冷燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)油封、啟封、冷吹、清洗和假開車功能、起動控制、壓氣機(jī)葉片角控制、放氣控制、燃油流量控制、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制、間冷系統(tǒng)控制、停車控制、消喘控制、安全保護(hù)、數(shù)據(jù)監(jiān)控等控制功能,其控制功能實現(xiàn)方案如下:
1.3.1 油封、啟封、冷吹、清洗和假開車功能控制方案
油封、啟封、冷吹、清洗和假開車等由起動機(jī)帶動壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,燃?xì)廨啓C(jī)不點火、不供油。
1.3.2 起動控制方案
起動過程由起動機(jī)帶動壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,按Wf=f(N2r25)起動供油規(guī)律向燃燒室供油;當(dāng)N2r25達(dá)到“設(shè)定點火轉(zhuǎn)速”時進(jìn)行點火,點火持續(xù)“設(shè)定點火時間”后停止點火;當(dāng)N2達(dá)到“設(shè)定脫開轉(zhuǎn)速”時,起動機(jī)脫開;當(dāng)N2r25達(dá)到慢車轉(zhuǎn)速,完成起動控制。在起動過程中,根據(jù)需要將對高、低壓壓氣機(jī)葉片角進(jìn)行控制,對低壓壓氣機(jī)出口進(jìn)行放氣,并對滑油系統(tǒng)進(jìn)行控制。
1.3.3 點火系統(tǒng)方案
點火系統(tǒng)采用高能點火方案,由電子控制柜提供工作電源。在燃?xì)廨啓C(jī)起動過程,當(dāng)N2r25達(dá)到“設(shè)定點火轉(zhuǎn)速”時進(jìn)行點火,電子控制柜通過開關(guān)量輸出,提供點火系統(tǒng)工作電源,點火系統(tǒng)開始工作。點火系統(tǒng)共2套并聯(lián)工作,主要包括點火裝置、點火電纜、點火電嘴。
1.3.4 放氣控制
某間冷燃?xì)廨啓C(jī)在低壓壓氣機(jī)出口及動力渦輪過渡段上有高溫大流量燃?xì)忾y安裝于燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣安裝座上。放氣系統(tǒng)主要由控制閥、放氣閥和地面供氣設(shè)備組成。
1.3.5 壓氣機(jī)葉片角控制
燃?xì)廨啓C(jī)按確定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)壓氣機(jī)可調(diào)葉片角度,保證燃?xì)獍l(fā)生器穩(wěn)定工作,不發(fā)生喘振。根據(jù)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速和進(jìn)口溫度的變化規(guī)律給出導(dǎo)葉給定值,由電子控制柜通過控制射流管式電液伺服閥(電氣雙余度)對壓氣機(jī)葉片角控制作動筒進(jìn)行位置閉環(huán)控制。導(dǎo)葉控制邏輯圖如圖5所示。
1.3.6 燃油流量控制
由燃?xì)廨啓C(jī)帶動齒輪泵提供高壓油源。壓差活門保證計量活門前后的壓差恒定,使供油流量與計量活門的窗口開度成正比,通過對計量活門的位置控制實現(xiàn)對燃油流量的控制,計量活門的位置用伺服電機(jī)進(jìn)行控制。電子控制柜計算出給定燃油流量,通過對伺服電機(jī)的控制實現(xiàn)對計量活門的位置閉環(huán)控制,進(jìn)而實現(xiàn)對燃油流量的控制。
1.3.7 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制
燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入慢車閉環(huán)后采用N2r25轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制,在慢車以上到達(dá)一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)為N3控制。在燃?xì)廨啓C(jī)起動前,控制軟件應(yīng)能根據(jù)需要進(jìn)行配置,選擇燃?xì)廨啓C(jī)控制模式??蛇x控制模式:N2r25轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制;N3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。N2r25閉環(huán)控制邏輯如圖6所示,N3閉環(huán)控制邏輯如圖7所示。
動力渦輪帶動大慣性負(fù)載,在轉(zhuǎn)速N3變化的反應(yīng)比對供油量變化的反應(yīng)慢,為避免出現(xiàn)大的轉(zhuǎn)速超調(diào),在N3轉(zhuǎn)速控制模塊中應(yīng)引入負(fù)載工況變化的信號,在變化時,根據(jù)其變化率提早改變進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的供油量,減少轉(zhuǎn)速超調(diào)和過渡過程的時間。當(dāng)負(fù)載不變化時,此路補(bǔ)償信號為零。在加減載過程中,軟件根據(jù)負(fù)載的變化率直接修正供油給定。
1.3.8 間冷系統(tǒng)控制
電子控制器根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)工況對應(yīng)的低壓壓氣機(jī)出口到高壓壓氣機(jī)進(jìn)口空氣的溫度規(guī)律,通過控制流量調(diào)節(jié)閥的開度控制進(jìn)入機(jī)上換熱器的冷卻劑流量從而控制低壓壓氣機(jī)出口到高壓壓氣機(jī)進(jìn)口空氣的溫度,同時通過溫度傳感器采集實際溫度信號,構(gòu)成溫度閉環(huán)控制,間冷系統(tǒng)控制邏輯如圖8所示。
1.3.9 停車控制
停車控制分為正常停車、緊急停車、終止起動。(1)正常停車控制
接收到正常停車信號后,退出N3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制,以不大于“設(shè)定減速速率”,把N2r25轉(zhuǎn)速減到慢車轉(zhuǎn)速。在慢車狀態(tài)燃?xì)廨啓C(jī)冷機(jī)3 min。在冷機(jī)過程中有“起動按鈕”輸入則終止正常停車控制。冷機(jī)完成后,燃油流量控制到最小位置;停車開關(guān)斷電,將計量后的燃油切換到低壓回油,此時燃油分配活門關(guān)閉切斷燃?xì)廨啓C(jī)供油,主、副燃油總管中的燃油通過停車放油活門排放到機(jī)外。正常停車后進(jìn)行5 min冷運(yùn)轉(zhuǎn)。
(2)緊急停車控制
收到緊急停車指令或報警信號后,停車開關(guān)斷電,主、副燃油總管中的燃油通過停車放油活門排放到機(jī)外??刂乒┯偷阶钚∥恢茫ㄈ粼谄饎舆^程,關(guān)閉點火器、關(guān)閉起動機(jī))。當(dāng)N2r≤500 r/min時,如無緊急停車信號及故障信息,轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài),否則保持緊急停車狀態(tài),顯示不許起動。
(3)終止起動控制
接收到終止起動的信號后,控制供油到最小位置、關(guān)閉點火系統(tǒng)、斷開起動機(jī)。待接收復(fù)位信號后,轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài),否則保持緊急停車狀態(tài),不許起動。
1.3.10 消喘控制
當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)由于意外進(jìn)入喘振時,喘振壓差傳感器感受到高壓壓氣機(jī)后壓力脈動,并通過喘振信號解調(diào)器對信號進(jìn)行整理判斷,確認(rèn)燃?xì)廨啓C(jī)喘振后通過開關(guān)量信號通知電子控制柜。電子控制柜收到喘振信號后通過調(diào)整壓氣機(jī)葉片角度、切斷燃油供給、低壓壓氣機(jī)出口及動力渦輪前放氣等方法使燃?xì)廨啓C(jī)消喘,在消喘過程中還要進(jìn)行點火以防止發(fā)動機(jī)熄火。
1.3.11 安全保護(hù)
系統(tǒng)的故障可分為控制器故障、傳感器故障、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障、燃?xì)廨啓C(jī)故障等幾類。對不同的故障根據(jù)其對燃?xì)廨啓C(jī)安全的影響,采取不同的處理措施。
故障可分為I級報警(告警)、II級報警(燃?xì)廨啓C(jī)降至慢車)、III級報警(緊急停車)等措施。
1.3.12 數(shù)據(jù)監(jiān)控
監(jiān)控軟件對控制器上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、判斷、儲存等處理。通過軟件可對燃?xì)廨啓C(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制,對各監(jiān)測的系統(tǒng)采用圖文動化顯示。根據(jù)故障信息通過信號燈或其他方式顯示故障位置。
2.1 可靠性設(shè)計
(1)關(guān)鍵部件采用余度設(shè)計;
(2)滿足設(shè)計要求的條件下,貫徹簡化優(yōu)化設(shè)計的原則,盡量減少零部件(元器件)的數(shù)量和種類。
2.2 測試性設(shè)計
發(fā)動機(jī)在停車狀態(tài)情況下,給控制系統(tǒng)上電,通過控制器自檢測開關(guān)控制,進(jìn)行系統(tǒng)的自檢測。自檢狀態(tài)結(jié)束后,可通過通訊接口與外圍設(shè)備進(jìn)行通訊。
2.3 安全性設(shè)計
(1)對故障進(jìn)行檢測、管理和自動報警;
(2)具有容錯功能;
(3)控制系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)造保證不會由于控制系統(tǒng)的單個失效或故障,或可能發(fā)生的組合故障,而導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)不安全狀態(tài)的發(fā)生;
2.4 維修性設(shè)計
根據(jù)指標(biāo)要求,開展控制系統(tǒng)的維修性設(shè)計工作,并遵守如下設(shè)計準(zhǔn)則:
(1)所有電氣接頭和管接頭均應(yīng)有明顯的規(guī)定記號,管接頭的數(shù)量應(yīng)最少,電氣接頭應(yīng)有防錯設(shè)計;
(2)傳感器的安裝方式要簡便,容易標(biāo)定;
(3)系統(tǒng)各部件、模塊應(yīng)具有互換性,任何組件、部件、模塊更換時應(yīng)考慮方便、省時和快捷;
2.5 綜合保障性設(shè)計
數(shù)控系統(tǒng)在設(shè)計中需滿足如下保障性設(shè)計要求:
(1)實行通用化、系統(tǒng)列化、組合化;
(2)設(shè)計要考慮盡可能降低對使用和維修人員及技術(shù)等的需求;
(3)在設(shè)計中考慮系統(tǒng)配套綜合保障設(shè)備的設(shè)計與使用。
2.6 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計
(1)燃油系統(tǒng)設(shè)計滿足要求,當(dāng)溫度低時要求選用滿足相應(yīng)溫度的燃油;
(2)電子控制模塊工作可以滿足0~60℃工作,可以滿足臺架試車需求;電控系統(tǒng)其他附件滿足環(huán)境要求。
由于此項目研制周期較短,燃?xì)廨啓C(jī)對控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求與以往燃?xì)廨啓C(jī)項目新增很多技術(shù)要求,一些關(guān)鍵技術(shù)還需要解決,這些都為控制系統(tǒng)的研制帶來一定的風(fēng)險。針對控制系統(tǒng)的研制中存在的風(fēng)險進(jìn)行分析,以期在今后的研制過程中,相應(yīng)地加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)力度,將系統(tǒng)風(fēng)險降到最低。
3.1 系統(tǒng)研制風(fēng)險
結(jié)合系統(tǒng)方案分析和關(guān)鍵技術(shù)的識別,風(fēng)險在數(shù)控系統(tǒng)研制中主要與以下幾個方面關(guān)聯(lián):
(1)燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型
主機(jī)無法提供燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型和必要的數(shù)據(jù),造成數(shù)學(xué)模型與燃?xì)廨啓C(jī)特性不一致,仿真驗證效果與真實試車存在一定的差距,數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計和驗證存在一定風(fēng)險。
(2)需求的不確定性
燃?xì)廨啓C(jī)對控制系統(tǒng)的部分技術(shù)要求沒有明確,部分技術(shù)要求尚在待定中,在項目研制過程中,需求的更改可能對系統(tǒng)研制造成一定的影響。
3.2 研制風(fēng)險分析
(1)燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型
加強(qiáng)與總體部門溝通和協(xié)調(diào),讓其提供數(shù)學(xué)模型或提供真實必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行修模,保證半物理仿真和真實試車的一致性;
(2)對于需求的不確定性問題
積極與總體部門溝通與協(xié)調(diào),盡快消除需求的不確定性;
3.3 風(fēng)險分析結(jié)論
綜合以上分析,控制系統(tǒng)的研制風(fēng)險是可控的。
為滿足某間冷燃?xì)廨啓C(jī)對控制系統(tǒng)的要求,在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計時,應(yīng)著重解決好關(guān)鍵技術(shù)——間冷控制。
對于間冷控制關(guān)鍵技術(shù),可以通過與國內(nèi)各相關(guān)單位的合作,攻克研制過程中的難題。
在控制系統(tǒng)中大部分附件為其他型號燃?xì)廨啓C(jī)及航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)使用的附件或在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的附件,有很好的技術(shù)基礎(chǔ)。間冷系統(tǒng)控制部分為新研部件,經(jīng)前期試驗驗證,其控制特性滿足總體要求。
對于燃?xì)廨啓C(jī)慢車以上的狀態(tài),經(jīng)采用MATLAB進(jìn)行數(shù)值仿真,其控制規(guī)律及控制特性滿足總體要求;對于慢車及以下特性,由于缺乏相應(yīng)發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型,因此,未對其進(jìn)行仿真,結(jié)合其他型號研制經(jīng)驗分析,認(rèn)為其特性可以滿足總體要求。
燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)控制系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的研發(fā),已取得了一定的成果,該方案盡量繼承燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)控制系統(tǒng)的成熟技術(shù)、部件和產(chǎn)品,保證了該系統(tǒng)方案具有一定的繼承性。該系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件采用雙余度設(shè)計,提高了系統(tǒng)功能的可靠性。綜上所述,某間冷燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、原理合理、功能完備、技術(shù)成熟、工作安全可靠等優(yōu)點,最終確定該系統(tǒng)方案可行。
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Research on Overall Design Scheme of Control System of Test Bed Experimental for a Intercooled Gas Turbine
LIU Kai
(AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China)
In order to investigate a intercooled gas turbine performance,a control system was developed to complete experimental validation of gas turbine on the test,and the system control law and main parameters could be modified according to working condition.The overall control design scheme of the test bed was introduced for a intercooled gas turbine,and system components,realization scheme,control logic,safety protect and data controlling of gas turbine control function are expatiated.Moreover,the six performance design,the development risk and the main technology are also expatiated.The results show that the control system of the intercooled gas turbine has the characteristic of simple structure,reasonable principle,general function,mature technology,working safety and feasible system plan.
intercooled gas turbine;control system;design scheme;aeroengine
V 323
A
10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.05.009
2017-03-29 基金項目:燃?xì)廨啓C(jī)研究項目資助
劉凱(1974),男,高級工程師,從事航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計工作;E-mail:18642093785@163.com。
劉凱.某間冷燃?xì)廨啓C(jī)臺架試驗控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案研究[J].航空發(fā)動機(jī),2017,43(5):48-53.LIU Kai.Research on overall design scheme of control system of test bed experimental for a intercooled gas turbine[J].Aeroengine,2017,43(5):48-53.
(編輯:張寶玲)