某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制規(guī)律優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

楊懿松 ，姚 華 ，沙 磊

（1.陸軍航空裝備質(zhì)量控制辦公室，北京100012；2.中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程非常復(fù)雜，涉及到控制系統(tǒng)、起動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)各部件之間協(xié)同工作。因此，起動(dòng)控制規(guī)律設(shè)計(jì)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一[1-7]。與渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中燃油流量需求較少，但精度要求更高[8-13]。例如某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)要求在全溫度包線內(nèi)起動(dòng)過程燃油流量偏差在±1 kg/h內(nèi)，而渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的要求通常在±10 kg/h以上。在低溫環(huán)境下，燃油密度變化、傳感器溫漂、機(jī)械部件形變等因素使?jié)M足流量控制要求變得更加困難[14]。

國(guó)內(nèi)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)采用開環(huán)供油和轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)供油的組合起動(dòng)控制規(guī)律，在常溫下具有很好的起動(dòng)性能，但在低溫時(shí)由于流量偏差出現(xiàn)多次起動(dòng)懸掛問題而影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用。針對(duì)該問題，本文提出1種起動(dòng)控制規(guī)律優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)起動(dòng)流量偏差的容忍能力。經(jīng)過高空臺(tái)驗(yàn)證，起動(dòng)性能穩(wěn)定，起動(dòng)成功率達(dá)到100%，可有效解決該型發(fā)動(dòng)機(jī)低溫環(huán)境下起動(dòng)懸掛的問題。

2 某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程及特點(diǎn)

燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速Ng由靜止?fàn)顟B(tài)提高到地面慢車狀態(tài)的過程稱為渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程[15]。起動(dòng)期間要完成控制起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)、控制器點(diǎn)火裝置點(diǎn)火、燃油系統(tǒng)供油的任務(wù)[16]。

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)采用全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由數(shù)字電子控制器、液壓機(jī)械裝置、傳感器等組成。在起動(dòng)過程中通過數(shù)字電子控制器控制起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)、點(diǎn)火裝置點(diǎn)火、液壓機(jī)械裝置供油。該發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程如圖1所示。

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程主要經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：

（1）起動(dòng)電單獨(dú)帶轉(zhuǎn)階段。數(shù)字電子控制器接收到起動(dòng)指令后控制起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)，此過程中不供油，直到燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速達(dá)到Ng1。

（2）開環(huán)供油和點(diǎn)火階段。燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速達(dá)到Ng1后，數(shù)字電子控制器根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速-燃油流量曲線計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)需求流量，并控制液壓機(jī)械裝置按需求流量給發(fā)動(dòng)機(jī)供油，直到燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速達(dá)到Ng2；在此過程中，電子控制器控制點(diǎn)火裝置點(diǎn)火。

圖1 某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程

（3）轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)供油階段。燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速達(dá)到Ng2后，數(shù)字電子控制器根據(jù)給定轉(zhuǎn)速速率與反饋轉(zhuǎn)速速率偏差進(jìn)行供油調(diào)節(jié)，直到燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速達(dá)到Ng3。

（4）轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制階段。燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速達(dá)到Ng3后，數(shù)字電子控制器根據(jù)給定動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速和反饋動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速的偏差進(jìn)行供油調(diào)節(jié)，使動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到并穩(wěn)定在慢車轉(zhuǎn)速。

3 低溫環(huán)境發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)懸掛

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境下出現(xiàn)多次懸掛問題，典型起動(dòng)懸掛過程如圖2所示。

圖2 典型起動(dòng)懸掛過程

其現(xiàn)象表現(xiàn)為：

（1）起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)使燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速達(dá)到Ng1。

（2）全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)按給定的燃油需求供油，并控制點(diǎn)火裝置點(diǎn)火。

（3）點(diǎn)火成功后燃?xì)鉁u輪出口燃?xì)鉁囟萒45上升較慢，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速上升緩慢，始終未達(dá)到Ng2。

（4）起動(dòng)時(shí)間超過要求，起動(dòng)失敗。

影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的主要因素有：

（1）起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)能力。

（2）點(diǎn)火裝置狀態(tài)。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子阻力、燃燒室燃燒效率。

（4）供油流量。

經(jīng)過檢查和試驗(yàn)驗(yàn)證，起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)能力、點(diǎn)火裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子阻力、燃燒室燃燒效率均正常。在開環(huán)供油和點(diǎn)火階段，燃油流量由于低溫補(bǔ)償偏低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)懸掛。

4 起動(dòng)規(guī)律優(yōu)化設(shè)計(jì)

起動(dòng)懸掛均發(fā)生在開環(huán)供油和點(diǎn)火階段。進(jìn)入轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)階段后，若轉(zhuǎn)速上升緩慢，閉環(huán)控制規(guī)律會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)燃油流量，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按要求上升，從而避免燃油流量不足導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛，轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)控制可有效增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油流量偏差的容忍能力。因此，起動(dòng)控制規(guī)律優(yōu)化設(shè)計(jì)思路為：縮短開環(huán)供油和點(diǎn)火階段，使發(fā)動(dòng)機(jī)快速進(jìn)入轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)階段。

發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)點(diǎn)火時(shí)燃油流量偏差的要求相對(duì)較低。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在流量拉偏5 kg/h的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)能成功點(diǎn)火。因此，選擇點(diǎn)火成功作為由開環(huán)供油和點(diǎn)火階段進(jìn)入轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)階段的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，選擇以燃?xì)鉁u輪出口燃?xì)鉁囟萒45的變化作為點(diǎn)火成功的判斷條件。

優(yōu)化后的起動(dòng)控制規(guī)律如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的起動(dòng)控制規(guī)律

具體設(shè)計(jì)如下：

（1）起動(dòng)機(jī)獨(dú)立帶轉(zhuǎn)。接收到起動(dòng)指令后，電子控制器立即發(fā)出指令，控制起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)。

（2）開環(huán)供油和點(diǎn)火。燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速Ng≥Ng1，進(jìn)入開環(huán)供油和點(diǎn)火階段。電子控制器控制點(diǎn)火裝置點(diǎn)火。開環(huán)供油即按照需求的流量供油，需考慮環(huán)境參數(shù)的修正、發(fā)動(dòng)機(jī)溫升效應(yīng)和管路填充，需求流量為

（3）轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)階段。燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速Ng≥Ng2或T45溫升值≥△T45，進(jìn)入轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)階段。該條件在原起動(dòng)規(guī)律基礎(chǔ)上增加燃?xì)鉁u輪出口溫度條件，使進(jìn)入轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)階段的時(shí)間提前，縮短了開環(huán)供油的作用時(shí)間。分析多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速速率，將原有轉(zhuǎn)速速率給定向低轉(zhuǎn)速延伸，同時(shí)考慮環(huán)境影響，修正給定速率。轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)階段燃油控制式為NgDdem=f（Ng）·f（T1,P1）Wf=f（NgDdem-NgD）

快速進(jìn)入轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)階段，能提高起動(dòng)控制規(guī)律的適應(yīng)性，但也存在異常時(shí)閉環(huán)控制導(dǎo)致燃油急劇變化的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需對(duì)燃油流量進(jìn)行限制。

在起動(dòng)初始階段，發(fā)動(dòng)機(jī)可能因點(diǎn)火不完全、燃燒效率不足等原因?qū)е翹g上升緩慢，速率不能滿足需求。在這種情況下，轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)控制會(huì)控制燃油急劇增加，存在發(fā)動(dòng)機(jī)超溫的風(fēng)險(xiǎn)。因此燃油高限限制應(yīng)較為嚴(yán)格，這里設(shè)置為根據(jù)起動(dòng)供油需求流量上浮

Wfmax=f（Ng）·f（T1，P1，T45）+ΔWfhigh

燃油低限限制的主要作用是防止發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。燃油低限限制不應(yīng)影響正常起動(dòng)，低限既不能過高而抬高供油量，也不能過低而不能起到防止熄火的作用。這里設(shè)置為根據(jù)填充流量下調(diào)，并按環(huán)境因素修正

Wfmin=（f（Ng1）-ΔWfhigh）·f（T1，P1）

轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)階段最終燃油流量為

Wfout=max（Wfmin，min（Wf，Wfmax））

（4）轉(zhuǎn)速閉環(huán)階段。燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速Ng≥Ng3，進(jìn)入轉(zhuǎn)速閉環(huán)階段，控制動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速到給定的慢車轉(zhuǎn)速，該階段燃油控制式為

5 起動(dòng)規(guī)律驗(yàn)證

將優(yōu)化后的起動(dòng)控制規(guī)律用于某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，并完成了高空臺(tái)驗(yàn)證。

進(jìn)行高空臺(tái)驗(yàn)證時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)包線進(jìn)行了海平面（地面起動(dòng)）、海拔3000 m（地面起動(dòng)、空中再起動(dòng)）、海拔4500 m（地面起動(dòng)、空中再起動(dòng)）、海拔5500 m（空中再起動(dòng)）試驗(yàn)驗(yàn)證。在海平面環(huán)境下進(jìn)行了低溫（-20℃）、常溫（15℃）、高溫（50℃）試驗(yàn)驗(yàn)證，并在低溫條件下進(jìn)行了優(yōu)化前后起動(dòng)控制規(guī)律的對(duì)比試驗(yàn)。

海平面低溫（-20℃）起動(dòng)對(duì)比試驗(yàn)得到的試驗(yàn)曲線如圖4所示。采用優(yōu)化前的起動(dòng)控制規(guī)律，起動(dòng)懸掛，試驗(yàn)曲線如圖4中的“Ng_1”所示；采用優(yōu)化前的起動(dòng)控制規(guī)律，在原開環(huán)供油流量基礎(chǔ)上增加3 kg/h供油，起動(dòng)成功，試驗(yàn)曲線如圖4中的“Ng_2”所示；采用優(yōu)化后的起動(dòng)控制規(guī)律，不增加供油，起動(dòng)成功，試驗(yàn)曲線如圖4中“Ng_3”所示。

圖4 海平面低溫起動(dòng)試驗(yàn)曲線

從圖中可見，優(yōu)化后的起動(dòng)控制規(guī)律與優(yōu)化前的起動(dòng)控制規(guī)律增加供油量后的起動(dòng)性能相當(dāng)。優(yōu)化后的起動(dòng)控制規(guī)律使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠容忍起動(dòng)流量偏差，可解決低溫環(huán)境下供油偏低導(dǎo)致的起動(dòng)懸掛問題。

在海平面不同溫度條件下優(yōu)化后的起動(dòng)控制規(guī)律試驗(yàn)曲線如圖5所示。在低溫（-20℃）、常溫（15℃）、高溫（50℃）條件下均起動(dòng)成功，未出現(xiàn)起動(dòng)懸掛。

圖5 不同溫度條件下的試驗(yàn)曲線

優(yōu)化后的起動(dòng)控制規(guī)律在不同高度條件下的地面起動(dòng)試驗(yàn)曲線如圖6所示。在海平面、海拔3000、4500 m條件下均起動(dòng)成功，未出現(xiàn)起動(dòng)懸掛。

圖6 不同高度條件下的地面起動(dòng)試驗(yàn)曲線

優(yōu)化后的起動(dòng)控制規(guī)律在不同高度條件下的空中再起動(dòng)試驗(yàn)曲線如圖7所示。在海拔3000、4500、5500 m條件下均起動(dòng)成功，未出現(xiàn)起動(dòng)懸掛。

圖7 不同高度條件下空中再起動(dòng)試驗(yàn)曲線

綜合各種環(huán)境條件下的試驗(yàn)情況發(fā)現(xiàn)，采用優(yōu)化的起動(dòng)控制規(guī)律后，發(fā)動(dòng)機(jī)均能成功起動(dòng)，進(jìn)入轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)階段的時(shí)間比原規(guī)律提前約10 s。

6 結(jié)束語

國(guó)內(nèi)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)采用優(yōu)化后的起動(dòng)控制規(guī)律，縮短開環(huán)供油工作階段，使發(fā)動(dòng)機(jī)快速進(jìn)入轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)階段，并且根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)情況合理設(shè)置起動(dòng)燃油限制，已經(jīng)在各種環(huán)境下成功起動(dòng)上百次，起動(dòng)成功率為100%，未出現(xiàn)起動(dòng)超溫或起動(dòng)懸掛，有效解決了該型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境下起動(dòng)懸掛問題。同時(shí)由于開環(huán)供油段縮短，降低了對(duì)數(shù)控系統(tǒng)起動(dòng)燃油控制精度的要求。

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