渦槳發(fā)動機控制技術(shù)演變及趨勢

■ 時瑞軍 周劍波 黃波 皮星 / 中國航發(fā)動研所

渦槳發(fā)動機因其經(jīng)濟性好而成為世界燃氣渦輪發(fā)動機領(lǐng)域被長期關(guān)注的重點和熱點之一。渦槳發(fā)動機技術(shù)在近些年的快速發(fā)展也對其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、功能、性能以及控制算法等方面提出了更高的要求。

渦槳發(fā)動機在最高可達700km/h的亞聲速飛行速度范圍內(nèi)的經(jīng)濟性遠遠超過相應(yīng)推力等級的渦噴和渦扇發(fā)動機，因而是亞聲速飛機尤其是運輸機的主要動力裝置。例如，我國的“新舟”60，配裝了兩臺普惠加拿大公司的PW127渦槳發(fā)動機，起飛油耗0.28kg/(kW·h)，單發(fā)起飛功率2051kW，巡航飛行速度504km/h，最大起飛質(zhì)量13.7t；美國中型運輸機C-130J配裝了4臺羅羅公司的AE2100D3渦槳發(fā)動機，起飛油耗0.25kg/(kW·h)，單發(fā)起飛功率3424kW，最大飛行速度621km/h，最大起飛質(zhì)量70.3t；歐洲的A400M運輸機，裝備了4臺TP400-D6渦槳發(fā)動機，油耗低至0.21kg/(kW·h)，單發(fā)最大功率8200kW，最大飛行速度760km/h，最大起飛質(zhì)量141t。

眾所周知，從20世紀80年代中期開始，世界航空發(fā)動機控制技術(shù)逐漸從機械液壓式進入了數(shù)字電子控制。渦槳發(fā)動機控制系統(tǒng)的被控對象包含了發(fā)動機和螺旋槳，因而相對于一般的渦噴、渦扇發(fā)動機，其控制系統(tǒng)無論從外觀、質(zhì)量、附件數(shù)量，還是具體功能均發(fā)生了深刻的變革。

結(jié)構(gòu)形式演變

如表1所示，許多20世紀80年代以前研制的渦槳發(fā)動機的控制系統(tǒng)采用了機械液壓式結(jié)構(gòu)，如蘇聯(lián)伊伏琴科設(shè)計局40年代末期研制的AI-20單轉(zhuǎn)子渦槳發(fā)動機、普惠加拿大公司50年代研制的PT6A單轉(zhuǎn)子渦槳發(fā)動機、美國艾利遜公司（1994年被羅羅公司收購）在20世紀40年代末期研制的T56單轉(zhuǎn)子渦槳發(fā)動機等；自20世紀80年代中期以來，渦槳發(fā)動機基本采用數(shù)字電子控制系統(tǒng)實現(xiàn)對發(fā)動機和螺旋槳的控制（詳見表1）。

表1 世界典型渦槳發(fā)動機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

圖1 “新舟”60、C-130、A400M螺旋槳飛機

圖2 渦槳發(fā)動機機械液壓式燃油調(diào)節(jié)器和螺旋槳調(diào)節(jié)器

由表1還可以看出，采用機械液壓式控制系統(tǒng)的渦槳發(fā)動機，一般有獨立的燃油泵調(diào)節(jié)器控制，由獨立的槳距調(diào)節(jié)器控制螺旋槳。使用數(shù)字電子式控制系統(tǒng)的渦槳發(fā)動機有兩種控制形式：一種是發(fā)動機和螺旋槳分別由各自電子控制系統(tǒng)控制；另一種是近年來的一個發(fā)展趨勢——發(fā)動機和螺旋槳由同一個數(shù)字電子控制器控制。

實際上，渦槳發(fā)動機這種結(jié)構(gòu)形式的變化，還帶來了飛行員操縱方式的極大便利。在機械液壓時代，一些渦槳發(fā)動機需要采用發(fā)動機油門桿、螺旋槳選速桿以及功率桿，分別調(diào)節(jié)發(fā)動機燃油流量、螺旋槳轉(zhuǎn)速以及發(fā)動機功率。而進入數(shù)字電子控制時代后，由于控制邏輯和功能可通過軟件輕松實現(xiàn)，因而渦槳發(fā)動機的操縱得到了簡化。一些渦槳發(fā)動機，如PW127和PW150等，去掉了油門桿，僅利用選速桿和功率桿，即可調(diào)節(jié)發(fā)動機和螺旋槳的全部工作狀態(tài)；另一些渦槳發(fā)動機，如D27、AE2100和TP400-D6等，則在此基礎(chǔ)上更進一步，僅使用一個操縱桿，實現(xiàn)了對發(fā)動機和螺旋槳的完全控制。從3個操縱桿到一個操縱桿的改變，顯著減少了需要調(diào)整的結(jié)構(gòu)，大大降低了飛行員的工作強度，更有利于飛機的安全。

功能演變

圖3 渦槳發(fā)動機數(shù)字電子控制器和螺旋槳數(shù)字電子控制器

圖4 典型機械液壓式渦槳發(fā)動機及螺旋槳的轉(zhuǎn)速控制框圖

機械液壓裝置固有的弱點使之無法刻畫復雜形式的控制、限制和保護規(guī)律，故機械液壓時代的渦槳發(fā)動機的控制系統(tǒng)功能較為簡單。對于發(fā)動機而言，其燃油調(diào)節(jié)器的功能一般具有基于離心飛重結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速恒定控制、基于波紋管的飛行高度修正和機械的止動限制等功能。對于螺旋槳而言，其控制系統(tǒng)一般具有基于離心飛重結(jié)構(gòu)的槳速超轉(zhuǎn)保護控制、轉(zhuǎn)速恒定控制以及槳距控制功能。

數(shù)字電子控制天然的優(yōu)點使之可以非常方便地利用軟件編程實現(xiàn)多模態(tài)的復雜回路的控制，以及溫度、扭矩、壓力等的限制和保護功能，更重要的是可以實現(xiàn)對控制系統(tǒng)附件，尤其是傳感器的故障診斷功能，在有限的機械結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)功能的倍增。同時，還可以在幾小時內(nèi)快捷地調(diào)整控制規(guī)律和參數(shù)，以適應(yīng)發(fā)動機的調(diào)整，而無須像機械液壓時代一樣必須改變控制系統(tǒng)機械機構(gòu)，需要幾個月才能實現(xiàn)控制規(guī)律的調(diào)整。此外，隨著數(shù)字電子控制的深入應(yīng)用，渦槳發(fā)動機的燃油調(diào)節(jié)功能和螺旋槳控制功能還朝著綜合化的趨勢發(fā)展，其控制功能更為復雜、更能發(fā)揮螺旋槳和發(fā)動機的整體性能。

圖5 典型雙操縱桿數(shù)字電子式渦槳發(fā)動機及螺旋槳的功率綜合控制框圖

同時，使用了數(shù)字電子技術(shù)的航空渦槳發(fā)動機控制系統(tǒng)的性能也越來越好。以發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制精度為例，機械液壓時代的轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)控制精度為1%～2%，到了數(shù)字電子控制時代的精度提高到0.5%；而現(xiàn)在由于故障診斷健康管理等功能的需求，先進渦槳發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制精度已達0.1%，以便能準確識別發(fā)動機的故障征兆。

控制算法構(gòu)型演變

在機械液壓時代，由于難以實現(xiàn)復雜的控制算法，故對于渦槳發(fā)動機而言，其發(fā)動機控制系統(tǒng)和螺旋槳控制系統(tǒng)各為一個獨立的系統(tǒng)。由于該時期的螺旋槳通常只有一個恒定工作轉(zhuǎn)速，因而整個推進系統(tǒng)的狀態(tài)變化通常是由發(fā)動機主動改變來實現(xiàn)，螺旋槳系統(tǒng)則被動地根據(jù)發(fā)動機狀態(tài)調(diào)整槳葉角度，使得螺旋槳轉(zhuǎn)速恒定。

對于飛機而言，實際上需要包括發(fā)動機和螺旋槳在內(nèi)的整個推進系統(tǒng)更直接地提供所需的功率。機械液壓控制系統(tǒng)難以準確地實現(xiàn)對螺旋槳扭矩的測量，更難以實現(xiàn)將螺旋槳轉(zhuǎn)速與扭矩相乘得到當前狀態(tài)下的功率，因而無法直接供應(yīng)飛機所需功率，只能間接地以不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速表征整個推進系統(tǒng)的功率，即通過如圖4所示的發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制，實現(xiàn)對輸出功率的控制。

使用了數(shù)字電子控制系統(tǒng)后，可以方便地通過扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器實時得到當前狀態(tài)下的扭矩和轉(zhuǎn)速，二者乘積即為當前輸出功率，因而能夠直觀地提供飛機所需要的動力。故當前使用數(shù)字電子控制的渦槳發(fā)動機和螺旋槳通常采用圖5所示的直接功率控制算法。

隨著數(shù)字電子控制技術(shù)在航空發(fā)動機中的深入應(yīng)用，越來越多的渦槳發(fā)動機，如AE2100和TP400-D6發(fā)動機，采用了更為“激進”的綜合控制方式：將功率桿和選速桿合二為一，將發(fā)動機數(shù)字電子控制器和螺旋槳數(shù)字電子控制器合為一個綜合的數(shù)字電子控制器。圖6為一種單操縱桿控制框圖，當飛行員根據(jù)飛行條件將操縱桿放置在一定位置區(qū)間，該綜合電子控制器中的操縱桿定義模塊將該位置信號自動解讀為需要的螺旋槳控制模式，即槳速調(diào)節(jié)模式（α模式）或者槳距調(diào)節(jié)模式（β模式），并產(chǎn)生相應(yīng)的最佳的螺旋槳轉(zhuǎn)速和槳距角度，對整個推進系統(tǒng)進行綜合的螺旋槳轉(zhuǎn)速控制或者槳距控制。這樣又進一步降低了飛行員的工作負荷，提高了飛機的安全性。

發(fā)展趨勢

當前許多運輸機通常選用渦槳發(fā)動機為動力，相當多的發(fā)動機雖然采用了數(shù)字電子式控制系統(tǒng)，但仍然使用雙操縱控制方式，飛行員的工作負荷較重。一旦一臺發(fā)動機出現(xiàn)故障，飛行員的勞動強度更會雪上加霜，易發(fā)生重大惡性事故。近年來，多起渦槳飛機重大事故，多與復雜的操縱有關(guān)。因此，全面實現(xiàn)單操縱桿控制方式，進一步簡化發(fā)動機的操縱，降低飛行員的工作負荷，是今后渦槳發(fā)動機控制技術(shù)的發(fā)展的一個重要方向。

當前，渦槳發(fā)動機技術(shù)方興未艾，正朝著更高效、更高速的方向發(fā)展，出現(xiàn)了諸如TP400-D6這樣采用“馬刀形”螺旋槳的發(fā)動機，以利于在高速飛行的同時保持較高的工作效率。作為渦槳發(fā)動機的最新形式，能夠高速高效工作同時又消除了陀螺力矩效應(yīng)的槳扇發(fā)動機越來越引起飛機設(shè)計師的關(guān)注。這種發(fā)動機通常使用雙排對轉(zhuǎn)螺旋槳，在控制系統(tǒng)的作用下，通過行星差動減速器將發(fā)動機提供的功率分配給前后排螺旋槳，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)以消除陀螺力矩，并同時降低噪聲水平。因而，差動雙排螺旋槳與發(fā)動機的綜合控制技術(shù)是未來發(fā)展的又一重要方向。

圖6 典型單操縱桿渦槳發(fā)動機及螺旋槳綜合控制框圖

其次，隨著環(huán)保要求的日益嚴格，渦槳飛機的噪聲問題成為關(guān)注焦點。渦槳飛機工作時，螺旋槳噪聲會傳入飛機座艙，導致艙內(nèi)噪聲增大，影響乘員的身心健康，還有可能誘發(fā)飛機結(jié)構(gòu)振動與疲勞，影響飛機安全。此外，螺旋槳噪聲傳播到周邊環(huán)境，對人類和動物都會造成傷害。噪聲的抑制方法除了在設(shè)計中盡量減少螺旋槳噪聲生成的強度外，當前渦槳發(fā)動機還利用噪聲傳播的波動原理，主動通過調(diào)節(jié)多個螺旋槳轉(zhuǎn)速的相位差，使得多槳噪聲疊加后的強度最小。為此，基于多螺旋槳相位差控制的噪聲抑制技術(shù)成為當前航空渦槳發(fā)動機，尤其民用渦槳發(fā)動機，需要具備的重要特征，這對相位與轉(zhuǎn)速的測量和控制技術(shù)提出了更高的要求。