渦扇發(fā)動機加力接通過程延遲控制措施的影響

郝曉樂，許艷芝，張 浩

(中國飛行試驗研究院發(fā)動機所，西安710089)

1 引言

受噴口喉道面積和加力供油量控制匹配程度的影響，渦扇發(fā)動機加力接通過程的控制規(guī)律非常復(fù)雜，設(shè)計難度也較高[1]。針對控制邏輯的復(fù)雜性和困難性，國內(nèi)張輝[2]、劉杰[3]、王新月[4]、李偉[5]、薛倩[6]等通過系統(tǒng)試驗和數(shù)值模擬等方法，對加力接通過程中的噴口喉道面積、加力供油量等重要控制參數(shù)進行了深入研究，提高了渦扇發(fā)動機加力接通控制的精度和可靠性。

但在飛行包線左上角區(qū)域，受外界大氣環(huán)境影響，發(fā)動機加力接通過程相對于中低空區(qū)域更加困難[7]。某加力式渦扇發(fā)動機研制過程中，為提高飛行包線左上角區(qū)域的加力接通可靠性，嘗試了加力供油延遲、加力點火延遲[7]以及加力I區(qū)鎖定等多種延遲控制措施，以期通過延遲加力供油和加力點火來改善加力燃燒室氣動環(huán)境和油氣混合物燃燒性能。本文利用該加力式渦扇發(fā)動機試飛數(shù)據(jù)，對比分析了各延遲措施對加力接通過程氣動穩(wěn)定性及試驗結(jié)果的影響，得到各延遲控制措施的設(shè)計特點和實際效果，可為完善渦扇發(fā)動機加力接通控制邏輯提供重要參考。

2 加力接通過程控制邏輯及延遲控制措施

2.1 加力接通控制邏輯

該渦扇發(fā)動機采用的是混合進氣加力燃燒室。加力供油分為3個區(qū)，其中I區(qū)為起動點火供油，Ⅱ區(qū)為加力內(nèi)涵供油，Ⅲ區(qū)為加力外涵供油[8-9]。加力接通過程中供油為開環(huán)控制，噴口喉道面積為閉環(huán)控制，主要控制邏輯如圖1中藍色部分所示。

圖1 加力接通控制邏輯Fig.1 Control laws in reheat lit course

當(dāng)發(fā)動機油門角度和高壓轉(zhuǎn)速滿足控制要求，且未接通“應(yīng)急切斷加力”按鈕時，發(fā)動機開始進入加力接通控制過程。噴口預(yù)開到位后，加力I區(qū)供油，隨即點火，最后加力Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)相繼供油。過程中，噴口喉道面積按落壓比πt進行閉環(huán)控制。

圖1中紅色部分為加力延遲控制措施，包括加力供油延遲、加力點火延遲以及加力I區(qū)鎖定。各延遲措施可在電子控制器中設(shè)置或取消，并可任意組合和調(diào)節(jié)相應(yīng)延遲時間。

2.2 加力供油延遲措施

進入加力接通控制過程后，受噴口預(yù)開影響，發(fā)動機渦輪后壓力p6會產(chǎn)生較大波動，影響供油量和噴口喉道面積的匹配性。因此，在加力接通控制邏輯中增加了I區(qū)供油延遲措施。具體設(shè)計邏輯為：判斷加力I區(qū)允許供油時刻的p6，若小于規(guī)定值，則延遲相應(yīng)時間后加力I區(qū)再開始供油；否則，立即開始供油。

圖2示出了渦扇發(fā)動機試飛中驗證的3種加力供油延遲方案。圖中，橫坐標tˉ為實際時間以該發(fā)動機規(guī)定的中間狀態(tài)至全加力狀態(tài)的加速時間tac(從中間狀態(tài)推油門桿至加力燈亮)為基準進行無量綱處理后的值；f(πt)為利用πt構(gòu)造的加力I區(qū)允許供油的判斷函數(shù)，當(dāng)f(πt)≥0時允許加力I區(qū)供油；LFI為加力I區(qū)供油計量活門給定位移值，下角標數(shù)字代表不同的延遲方案。從圖中可清楚看到不同延遲時間下加力I區(qū)供油活門給定位移的隨動情況。受推油門桿速率和控制系統(tǒng)響應(yīng)速度的影響，加力I區(qū)供油的實際延遲時間可能較設(shè)計值稍長。本文忽略以上因素影響，均按設(shè)計值進行分析。

圖2 加力供油延遲驗證方案Fig.2 Validated projects of augmented-fuel time-delay control

2.3 加力點火延遲措施

在加力I區(qū)供油后理論上可以立即點火，但受加力燃油計量裝置起動階段震蕩效應(yīng)的影響，初始供油時刻油量與設(shè)計值偏離較多，出現(xiàn)油量峰值現(xiàn)象[10]，不利于形成合理的油氣比。因此，在加力接通控制邏輯中采取了加力點火延遲措施。具體設(shè)計邏輯為：根據(jù)油門角度和發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速具體數(shù)值，從加力I區(qū)計量活門給定位移開始突增時刻起，經(jīng)過不同的延遲時間后，電子控制器發(fā)出“加力點火”信號。

圖3顯示了3種經(jīng)試飛驗證的加力點火延遲方案，圖中Sjldh為加力點火信號，下角標數(shù)字代表不同的延遲方案。相較于加力供油延遲，點火延遲時間嚴格按照設(shè)計值執(zhí)行。

圖3 加力點火延遲驗證方案Fig.3 Validated projects of afterburning ignition time-delay control

2.4 加力I區(qū)鎖定措施

加力點火后，若油氣比合適則加力燈正常閃亮，表明加力點火成功。由于加力I區(qū)供油量只占總加力油量的15%左右，若此時立即允許Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)相繼供油，很可能對還未形成穩(wěn)定燃燒的油氣混合物產(chǎn)生沖擊，造成加力熄火。因此，在加力接通控制邏輯中設(shè)計了加力Ι區(qū)鎖定措施，即延遲加力Ⅱ區(qū)的供油時間。具體設(shè)計邏輯為：根據(jù)加力燈閃亮?xí)r刻的p6具體數(shù)值，保持加力I區(qū)進行相應(yīng)時間的供油后，加力Ⅱ區(qū)再開始供油。

圖4顯示了2種經(jīng)試飛驗證的加力I區(qū)鎖定方案。圖中，Safr為加力燈信號，LFⅡ為加力Ⅱ區(qū)供油計量活門給定位移值，下角標數(shù)字代表不同的鎖定方案。加力I區(qū)鎖定時間也嚴格按照設(shè)計值執(zhí)行。

圖4 加力I區(qū)鎖定驗證方案Fig.4 Validated projects of locking augmented-fuel of zone I

3 試飛驗證結(jié)果及分析

為提高高空小表速區(qū)域加力接通的可靠性，發(fā)動機在試飛中針對加力供油延遲、加力點火延遲及加力I區(qū)鎖定等控制邏輯的多種設(shè)計方案進行了試飛驗證，并取得較好效果。本文選取其中具有代表性的試驗點，對比分析各延遲措施的作用和各方案的實際效果。

3.1 加力供油延遲措施效果分析

試飛中共驗證了3種加力供油延遲方案，無量綱處理后的延遲時間分別為0、0.67和1.33，如圖2所示。各方案加力I區(qū)供油后的控制邏輯完全相同。

表1顯示了3種加力供油延遲方案下發(fā)動機慢車至全加力狀態(tài)加力接通試驗結(jié)果。表中分別以飛機升限高度Hpmax和加力接通邊界表速Vimin為參考值，分別對試驗點的高度和速度作無量綱處理。為無量綱處理后的從慢車狀態(tài)推油門至加力燈亮的時間。從試驗結(jié)果看，3種加力供油延遲方案下，發(fā)動機均能接通加力，但加力燈閃爍情況并沒有隨著延遲時間的增加而有所改善，即加力接通過程中加力油氣混合物的燃燒并沒有改善。另一方面，隨著加力供油延遲時間的增加，加力燈亮的時間也隨之延長，3種方案下的平均時間分別為0.76、1.35和2.07，大大增加了發(fā)動機的加速時間。

表1 不同加力供油延遲方案下的加力接通試驗結(jié)果Table 1 Results of reheat lit tests with different projects of augmented-fuel time-delay control

從加力接通過程πt實際值和給定值的差值Δπt的變化也可以看出，各方案下加力油氣混合物的燃燒沒有得到改善，如圖5所示。圖中●代表該種方案下實際開始供油的時刻，★代表開始點火的時刻。從圖中可以看到，較長的延遲時間可以使I區(qū)供油前的p6增加，導(dǎo)致Δπt降低，但加力點火時刻的Δπt則相差不大。加力點火后，3種方案下的Δπt變化趨勢基本相同，波峰、波谷的數(shù)量和幅值也基本相同。因此，從Δπt的變化看，加力供油延遲措施只是將加力接通過程按照不同延遲時間整體后延，對加力燃燒室的氣動穩(wěn)定性沒有積極影響。

3.2 加力點火延遲措施效果分析

試飛中共驗證了3種加力點火延遲方案，無量綱處理后的延遲時間分別為0.67、1.33和2.00，如圖3所示。各方案均無供油延遲措施，且加力點火后的控制邏輯完全相同。

圖5 不同加力供油延遲方案下Δπt在加力接通過程中的變化Fig.5 Variation ofΔπtin reheat lit course with different projects of augmented-fuel time-delay control

受試驗點加力供油規(guī)律改進的影響，不同延遲時間方案下的試驗結(jié)果對比分析，分為0.67和1.33、1.33和2.00兩組分別進行，如表2和表3所示。表中的“正常接通”意為接通過程無加力燈閃爍現(xiàn)象。

表2 點火延遲時間為0.67和1.33方案下的加力接通試驗結(jié)果Table 2 Results of reheat lit tests with projects of afterburning ignition time-delay of 0.67 and 1.33

從表2的統(tǒng)計情況看，0.67和1.33兩種加力點火延遲時間方案下，中間至全加力試驗均能接通加力，且只有1.33方案出現(xiàn)1次加力燈閃爍情況；慢車至全加力試驗也全部接通加力，但0.67方案出現(xiàn)2次加力燈閃爍現(xiàn)象，其中序號7試驗閃爍次數(shù)較多。另一方面，中間至全加力試驗的的增加而增加，且增加幅度小于增加的時間0.67；而慢車至全加力試驗的基本相同。

從表3的統(tǒng)計情況看，1.33和2.00兩種加力點火延遲時間方案下，中間至全加力試驗均能接通加力，但加力燈閃爍情況2.00方案明顯差于1.33方案；慢車至全加力試驗中，2.00方案有2次試驗未能成功接通加力，而1.33方案均能接通。另一方面，2.00方案的均較1.33方案有所延長，且增加幅度大于增加的時間0.67，尤其是慢車至全加力試驗，平均增加1.53。

表3 點火延遲時間為1.33和2.00方案下的加力接通試驗結(jié)果Table 3 Results of reheat lit tests with projects of afterburning ignition time-delay of 1.33 and 2.00

圖6分別顯示了3種加力點火延遲方案下Δπt從慢車至全加力狀態(tài)的變化情況。圖中零點為LFI突增時刻，★代表開始點火時刻，■為加力Ⅱ區(qū)開始供油時刻。在加力Ⅱ區(qū)供油前，所有方案的Δπt的變化基本一致。加力Ⅱ區(qū)開始供油后，0.67和2.00方案的Δπt急劇變化，且0.67方案波動明顯，2.00方案單調(diào)突升，明顯不利于加力燃燒室穩(wěn)定燃燒；而1.33方案的Δπt波動最小、相對穩(wěn)定。

圖6 不同加力點火延遲方案下Δπt在加力接通過程中的變化Fig.6 Variation ofΔπtin reheat lit course with different projects of afterburning ignition time-delay control

圖7 不同加力供油延遲和點火延遲方案下pI和Sjldh在加力接通過程中的變化Fig.7 Variation ofpIandSjldhin reheat lit course with different projects of augmented-fuel and afterburning ignition time-delay control

另一方面，采用加力點火延遲措施后，發(fā)動機加力接通過程中的實際供油和點火發(fā)生了變化。圖7(a)示出了不同加力供油延遲和點火延遲方案下，加力I區(qū)供油壓力pI(表征I區(qū)燃油流量[11])和加力點火信號的變化。對比圖7(a)和圖7(b)可以發(fā)現(xiàn)，在不同的加力供油延遲方案下，噴嘴初始供油產(chǎn)生的流量峰值[12]始終在加力點火信號持續(xù)時間內(nèi)，也就是說I區(qū)油氣混合物均處于富油狀態(tài)，不利于順利點燃。而采用加力點火延遲措施后，除0.67方案的流量峰值仍在加力點火信號持續(xù)時間內(nèi)，1.33和2.00方案均使得加力點火成功避開流量峰值，但2.00方案延遲太久導(dǎo)致流量持續(xù)偏低，也不利于順利點燃I區(qū)油氣混合物，最終未能接通加力。因此，從加力接通結(jié)果、以及接通過程中加力燃燒室氣動穩(wěn)定性和油氣比等角度綜合考慮，1.33方案明顯優(yōu)于0.67方案和2.00方案。

3.3 加力I區(qū)鎖定措施驗證試飛

試飛中共驗證了2種加力I區(qū)鎖定方案，無量綱處理后的鎖定時間分別為0.33和0.67，如圖4所示。

實際試飛中，加力I區(qū)鎖定措施和加力點火延遲措施聯(lián)動更改、驗證試飛，實際能找到的對比試驗點較少。表4示出了不同加力I區(qū)鎖定時間下的加力接通試驗結(jié)果。各試驗均無加力供油延遲措施，且加力點火延遲時間為1.33。

表4 不同加力I區(qū)鎖定時間下的加力接通試驗結(jié)果Table 4 Results of reheat lit tests with different projects of locking augmented-fuel of zone I

從有限的試驗對比可知，鎖定時間對試驗結(jié)果影響不大，但0.33方案下的明顯比0.67方案的大，使得超出加速時間要求的情況更加嚴重。

圖8對比了不同鎖定時間下中間至全加力過程中Δπt在加力I區(qū)鎖定時間內(nèi)的變化。可以看到，較長的鎖定時間可以使Δπt值從較大幅度的波動中恢復(fù)到正常水平，更接近給定值，即更接近理想加力接通過程。這是由于較長的加力I區(qū)鎖定時間有利于油氣混合物在點燃之后形成較為穩(wěn)定的燃燒工況，保證其不會被內(nèi)涵供油時刻的峰值油量干擾，提高了火焰的穩(wěn)定性。同時，使得噴口等幾何調(diào)節(jié)機構(gòu)有充足的時間進行相應(yīng)調(diào)節(jié)，保證噴口喉道面積和加力供油量的匹配。

圖8 不同加力I區(qū)鎖定方案下Δπt在鎖定時間內(nèi)的變化Fig.8 Variation ofΔπtin locking time with different projects of locking augmented-fuel of zone I

4 結(jié)論

利用加力式渦扇發(fā)動機試飛數(shù)據(jù)，分析了加力I區(qū)供油延遲措施、加力點火延遲措施和加力I區(qū)鎖定措施的實際作用，對比了各個措施不同延遲時間對接通過程中加力燃燒室的氣動穩(wěn)定性和試驗結(jié)果的影響，可以得到以下結(jié)論：

(1)加力供油延遲措施只是將加力接通過程按照延遲時間整體后延，對加力燃燒室的氣動穩(wěn)定性無積極影響。

(2)加力點火延遲措施可以使油氣混合物避開在加力I區(qū)燃油流量峰值時點燃，優(yōu)化了點火時刻的油氣比，且無量綱延遲時間為1.33時最為有效、合理。

(3)加力I區(qū)鎖定措施有利于加力I區(qū)油氣混合物在點燃之后形成較為穩(wěn)定的燃燒工況，以及噴口喉道面積和加力供油量的匹配。