渦輪后排氣溫度擺動(dòng)故障仿真研究

程 波,馬 克,曾發(fā)全,趙 巍

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610073)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵控制系統(tǒng)，直接表征發(fā)動(dòng)機(jī)的推力；航空發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行試車調(diào)試、飛行試驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)低壓渦輪后排氣溫度Tt擺動(dòng)的故障，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)在中間及加力狀態(tài)工作時(shí)容易引起推力脈動(dòng)、低壓渦輪后排氣溫度Tt超溫，從而損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，危及飛行安全[1-2]。如果在地面試車調(diào)試過程中不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除低壓渦輪后排氣溫度控制系統(tǒng)故障，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的推力性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)超溫?zé)龎陌l(fā)動(dòng)機(jī)部件等不可逆轉(zhuǎn)故障[3]，直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車安全和飛行安全。所以必須將此類故障排除在發(fā)動(dòng)機(jī)的地面調(diào)試過程并進(jìn)行試車驗(yàn)證，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)使用安全。對航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，找出Tt擺動(dòng)的危害、故障機(jī)理，并開發(fā)基于虛擬儀器的航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)，在仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)典型擺動(dòng)故障及其抑制方法仿真。

虛擬儀器技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一種直觀高效的測控、仿真解決方案，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷發(fā)展，虛擬儀器已經(jīng)具有了非常強(qiáng)大的可開發(fā)性和可擴(kuò)展性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控和實(shí)驗(yàn)室研究中[4-5]。其中，由NI公司出品的圖形化編程軟件LabVIEW是使用最廣泛的計(jì)算機(jī)虛擬儀器編程語言，具有直觀、生動(dòng)、界面友好、功能強(qiáng)大、兼容性好等眾多優(yōu)點(diǎn)。在國內(nèi)，南昌航空大學(xué)的陳松林[6]曾利用LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)了針對旋翼系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及處理軟件。孔維萍等[7]則在LabVIEW環(huán)境下進(jìn)行了光纖慣組測試系統(tǒng)研究。

筆者從實(shí)際工作需求出發(fā)，應(yīng)用LabVIEW 2017開發(fā)了雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)故障模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在仿真平臺(tái)上重現(xiàn)了實(shí)際試車過程低壓渦輪后排氣溫度出現(xiàn)擺動(dòng)的故障，根據(jù)仿真結(jié)果提出了排除故障的方法，并在虛擬儀器平臺(tái)上對提出的排故方法進(jìn)行仿真，可以指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際故障排除工作。

1 低壓渦輪后排氣溫度控制系統(tǒng)

典型的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)其進(jìn)口總溫T0控制燃油流量Wf來實(shí)現(xiàn)中間狀態(tài)及加力狀態(tài)控制計(jì)劃，如式(1)～式(3)所示[8]。

nL=f(T0)

(1)

nH=f(T0)

(2)

Tt=f(T0)

(3)

式(1)～式(3)中，高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nL、nH和渦輪后排氣溫度Tt是被控變量，主燃油流量是控制變量，在中間及加力狀態(tài)，電子式控制器根據(jù)nL、nH、Tt控制計(jì)劃計(jì)算所需的主燃油流量，并采用低選方式選擇被控變量。因此，被控變量的選取根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總溫T0的變化來自動(dòng)切換，當(dāng)進(jìn)口總溫T0在一定的范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在中間及加力狀態(tài)將選擇渦輪后排氣溫Tt為被控變量，即以Tt為主控通道。

低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)由電子式數(shù)字控制器、機(jī)械液壓式主燃油調(diào)節(jié)器、燃油泵、熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線等組成。電子式數(shù)字控制器是實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)規(guī)律的軟件駐存設(shè)備，具備采集、運(yùn)算、驅(qū)動(dòng)放大、通信等功能，是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制中心，機(jī)械液壓式燃油調(diào)節(jié)器、燃油泵等為主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。典型的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)原理[8]如圖1所示。

圖1 低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)原理

由圖1可知，低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)由內(nèi)外環(huán)控制系統(tǒng)組成，內(nèi)外環(huán)控制分別由PID控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)[8]，其中，外環(huán)是溫度控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為燃油流量控制環(huán)，如式(4)～式(9)所示。

yT(t)=ktvr(t)+b

(4)

eT(t)=rT(t)-yT(t)

(5)

(6)

rL(t)=wf(uout)

(7)

eL(t)=rL(t)-yL(t)

(8)

(9)

式中,vr為熱電偶電動(dòng)勢;yT為熱電偶測得的排氣溫度;b為偏置；rT為排氣溫度控制指令;eT為指令與輸出的誤差；yL為位移傳感器測得的燃油活門位移;rL為活門位移指令;eL為活門位移指令與輸出的誤差;uiner和uout分別為內(nèi)外環(huán)PID控制器輸出；kpo、kdo、kio分別為外環(huán)比例系數(shù)、微分系數(shù)和積分系數(shù)；kpi、kdi、kii分別為內(nèi)環(huán)比例系數(shù)、微分系數(shù)和積分系數(shù)。內(nèi)環(huán)的燃油活門位置由位移傳感器實(shí)現(xiàn)位移到電壓轉(zhuǎn)換，在電子式數(shù)字控制器內(nèi)經(jīng)過模-數(shù)轉(zhuǎn)換，生成計(jì)算機(jī)所需的數(shù)字信號；控制系統(tǒng)外環(huán)的熱電偶傳感器測得的低壓渦輪后排氣溫度Tt在電子式數(shù)字控制器內(nèi)經(jīng)過模-數(shù)轉(zhuǎn)換生成計(jì)算機(jī)所需的數(shù)字信號，內(nèi)外環(huán)PID 控制算法在電子式數(shù)字控制器中由軟件實(shí)現(xiàn)。

外環(huán)控制將Tt設(shè)定值和熱電偶反饋的實(shí)際Tt進(jìn)行比較生成誤差，經(jīng)過外環(huán)PID控制器解算并輸出失調(diào)燃油流量信號，作為內(nèi)環(huán)控制的給定值，與內(nèi)環(huán)燃油流量活門位移傳感器的反饋值比較后生成誤差信號，經(jīng)過內(nèi)環(huán)PID控制器解算出占空比電磁閥的失調(diào)占空比信號，控制燃油活門動(dòng)作以滿足給定值，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室供油量等于給定值，最終實(shí)現(xiàn)低壓渦輪后排氣溫度Tt等于Tt設(shè)定值。

2 典型故障現(xiàn)象

低壓渦輪后排氣溫度典型故障模式為Tt擺動(dòng)故障，擺動(dòng)現(xiàn)象在Tt通道主控時(shí)呈現(xiàn)出周期性擺動(dòng)，或在進(jìn)入加力時(shí)出現(xiàn)不規(guī)則擺動(dòng)，故障示意圖如圖2所示。故障原因比較復(fù)雜，初步分析是由串入干擾引起的，但要定位故障具體原因需進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖2 進(jìn)加力后Tt擺動(dòng)故障示意圖

3 故障機(jī)理分析

發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)后，在靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)試車過程中，會(huì)經(jīng)歷多種工作模式切換，在這些工作模式切換時(shí)，電氣線路和地線上往往會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)高電壓或大電流，從而對與其共線束信號線或鄰近安裝的負(fù)載設(shè)備造成影響[9]。模式切換時(shí)產(chǎn)生的電壓和電流一般具有前沿短、電壓高、電流大、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，屬于瞬態(tài)電磁干擾[10]，

由于結(jié)構(gòu)和空間的限制，飛機(jī)上線束敷設(shè)無法達(dá)到理想狀態(tài)，局部區(qū)域存在明顯電磁干擾，如圖3所示,當(dāng)多芯線束內(nèi)部易受干擾的傳感器信號線與高電壓、大電流導(dǎo)線距離d1較小時(shí)，屏蔽效果較差；當(dāng)與周期性、瞬間變化的高電壓、大電流線束之間距離d2較小時(shí)，傳感器信號線將串入不容忽視的干擾。

圖3 線束串入干擾示意圖

發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程，由于渦輪后排氣溫度傳感器是熱電偶溫度傳感器，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線上傳輸?shù)氖呛练壭盘?，容易串入干擾。尤其是進(jìn)入加力過程后，加力點(diǎn)火所需電流瞬間變化較大[11]，如果傳感器信號線與加力點(diǎn)火供電導(dǎo)線敷設(shè)距離較小，將不可避免地串入電磁干擾，渦輪后排氣溫度Tt就會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)。

此外，機(jī)上交流發(fā)電機(jī)輸出的交變電壓、電流存在周期交變特性，同時(shí)機(jī)上各種用電設(shè)備的工作模式切換時(shí)，交流電壓、電流還存在瞬時(shí)變化特性，如果熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線與交流發(fā)電機(jī)輸出導(dǎo)線距離較小，也將會(huì)產(chǎn)生串入干擾。

4 模擬故障設(shè)置

以典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)為例，其原理框圖如圖1所示，控制回路的任一環(huán)節(jié)故障均可導(dǎo)致Tt擺動(dòng)，由此建立仿真平臺(tái)，在控制回路模擬注入故障，以研究其對Tt控制的影響。

考慮到控制器PID算法由軟件實(shí)現(xiàn)，具有高可靠性，且控制器軟硬件為多通道余度備份、自帶故障自檢能力，所以故障仿真平臺(tái)不設(shè)置斷路故障，且內(nèi)外環(huán)PID控制器不設(shè)置故障注入。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在中間及加力狀態(tài)工作時(shí)根據(jù)數(shù)字式電子控制器的渦輪后燃?xì)鉁囟瓤刂浦噶钸M(jìn)行閉環(huán)控制，而熱電偶輸出的是毫伏級電動(dòng)勢，容易串入干擾，根據(jù)大型燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度熱電偶的輸入輸出特性，分段線性化后在Tti≤Tt≤Tt(i+1)范圍可以表示為

Tt=ktivr+bi

(10)

式中，kti為靈敏度；vr為熱電偶實(shí)際輸出電動(dòng)勢。

大型燃?xì)廨啓C(jī)熱電偶特性如圖4所示。由圖4可知，熱電偶的輸出范圍Tt在700～800 ℃之間，此時(shí)的輸出輸入變化率即熱電偶的靈敏度kti為24.12 ℃/mV，當(dāng)串入熱電偶回路的電動(dòng)勢干擾Δv為±1 mV時(shí)，溫度輸出變化量為±24.12 ℃，所以，當(dāng)串入熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的干擾達(dá)到±0.5 mV時(shí)，輸出溫度擺動(dòng)將達(dá)到±12.06 ℃。

圖4 大型燃?xì)廨啓C(jī)熱電偶特性

為了研究機(jī)上真實(shí)條件下熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線串入干擾信號對整個(gè)控制系統(tǒng)的影響，可通過注入模擬干擾信號的方式模擬飛機(jī)上容易產(chǎn)生的典型交流干擾信號，并搭建仿真平臺(tái)，將熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線串入干擾后對整個(gè)低壓渦輪后排氣溫度控制系統(tǒng)的影響情況直觀地顯示出來。注入模擬干擾后的控制系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

此時(shí)熱電偶輸出為

Tt=ktivr+bi

(11)

vr=vid+Δv

(12)

式中，vid為熱電偶回路未受干擾的輸出電動(dòng)勢；Δv為串入的干擾電動(dòng)勢。

5 低通濾波器設(shè)置

為了研究抗干擾措施效果，可在注入干擾的熱電偶測量回路上串聯(lián)一階低通濾波器，即

y(s)/r(s)=G0ωc/(s+ωc)

(13)

式中，ωc為一階低通濾波器的截止頻率，此低通濾波器可以由硬件或軟件低通濾波器實(shí)現(xiàn)，本文通過數(shù)字低通濾波器驗(yàn)證濾波抗干擾效果。串聯(lián)低通濾波器的控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 串聯(lián)低通濾波器的控制系統(tǒng)原理框圖

6 仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

LabVIEW實(shí)現(xiàn)仿真技術(shù)已有較多成熟應(yīng)用案例[12-13]，本文由LabVIEW 2017編程實(shí)現(xiàn)，程序框圖總體結(jié)構(gòu)為一個(gè)while循環(huán)，包含多個(gè)子程序模塊，由PID控制器子程序、被控對象子程序、熱電偶子程序、模擬干擾信號子程序、濾波器子程序、實(shí)時(shí)波形顯示、事后曲線顯示等組成。

PID子程序模塊的算法為

(14)

向后差分離散化后為

(15)

式中，ΔT為采樣周期。PID控制功能由while循環(huán)設(shè)置的移位寄存器和PID子程序模塊共同實(shí)現(xiàn)，PID子程序模塊如圖7所示。

圖7 PID控制器子程序模塊

不考慮燃燒延遲，航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為被控對象，其供油量內(nèi)環(huán)控制回路可簡化為一慣性環(huán)節(jié)[14]，傳遞函數(shù)為式(16)，用向后差分方法將其離散化為式(17)。

y(s)/r(s)=1/(Ts+1)

(16)

(17)

式中，ΔT為采樣周期；T為慣性時(shí)間。用LabVIEW的公式節(jié)點(diǎn)配合帶移位寄存器的while循環(huán)實(shí)現(xiàn)，被控對象子程序模塊如圖8所示。

圖8 被控對象子程序模塊

干擾信號子程序模塊由公式節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，干擾信號設(shè)定為幅值和頻率可調(diào)的正弦波信號，即

Δv=Asinωt

(18)

也可以根據(jù)需要擴(kuò)展，設(shè)置其他形式的干擾信號，其子程序模塊如圖9所示。

圖9 干擾信號子程序模塊

濾波器采用簡單的數(shù)字一階低通濾波器，其離散化算法如式(17)所示，將該子程序模塊串入傳感器測量回路，用于仿真濾波抗干擾效果，用LabVIEW的公式節(jié)點(diǎn)配合帶移位寄存器的while循環(huán)實(shí)現(xiàn)，濾波器子程序模塊如圖10所示。

圖10 濾波器子程序模塊

整個(gè)仿真程序框圖如圖11所示。

圖11 仿真程序框圖

仿真程序由各個(gè)子程序模塊通過信號流連線連接，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后排氣溫度Tt的負(fù)反饋PID控制，以及模擬干擾信號注入，模擬濾除干擾信號等功能，可以根據(jù)需要擴(kuò)展其他功能。

仿真平臺(tái)前面板如圖12所示。

圖12 仿真平臺(tái)前面板

根據(jù)需要注入干擾信號，通過仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真，從而了解發(fā)動(dòng)機(jī)在不同干擾信號和干擾方式作用下的響應(yīng)特性。

7 仿真結(jié)果

當(dāng)?shù)蛪簻u輪后排氣溫度Tt主控時(shí)，可將圖5的燃油流量內(nèi)環(huán)控制回路簡化為0.1 s的慣性環(huán)節(jié)[14]，從第13 s開始，發(fā)動(dòng)機(jī)油門桿從中間狀態(tài)位置進(jìn)入加力區(qū)域，加力接通后，模擬加力點(diǎn)火裝置的供電導(dǎo)線向熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線注入電磁干擾，將干擾設(shè)置成幅值為0.5 mV、頻率為5 Hz的正弦信號，并在加力接通后約9 s，即第22 s后接通低通濾波器濾除干擾，低壓渦輪后排氣溫度Tt的響應(yīng)和誤差如圖13所示。

圖13 低壓渦輪后排氣溫度Tt響應(yīng)圖

由圖13可知，加力過程串入干擾信號后，低壓渦輪后排氣溫度Tt會(huì)隨之?dāng)[動(dòng)，經(jīng)過負(fù)反饋到輸入端，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)隨動(dòng)調(diào)節(jié)和供油量隨動(dòng)控制調(diào)節(jié)，尤其發(fā)動(dòng)機(jī)在加力狀態(tài)工作時(shí)，Tt擺動(dòng)幅度過大易引起發(fā)動(dòng)機(jī)超溫，第22 s接通熱電偶傳感器回路的低通濾波器后，干擾被有效抑制，擺動(dòng)幅度在可接受的±0.5 ℃范圍。

8 結(jié)束語

低壓渦輪后排氣溫度Tt的熱電偶傳感器信號為毫伏級，在受限于機(jī)上空間和位置的情況下，傳感器信號線纜和電源線及其他線纜間距小，甚至捆綁成束，使熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線容易串入干擾，反饋到低壓渦輪后排氣溫度Tt指令輸入端會(huì)產(chǎn)生誤差，控制系統(tǒng)隨動(dòng)調(diào)節(jié)，引起低壓渦輪后排氣溫度Tt擺動(dòng)，存在加力狀態(tài)超溫的安全隱患。

從仿真結(jié)果可以看出，在傳感器信號回路串入低通濾波器，通過合理設(shè)置，可以將干擾大幅濾除，達(dá)到工程上可接受狀態(tài)，但串入低通濾波器將降低傳感器的響應(yīng)速度。

此外，在線纜敷設(shè)階段應(yīng)盡可能將此類傳感器輸出的毫伏級信號傳輸線纜與其他線纜拉開距離，并采取增設(shè)防波套等加強(qiáng)屏蔽措施，從而從根源上將干擾降至最低。

本文應(yīng)用虛擬儀器編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)故障仿真平臺(tái)的搭建，在仿真平臺(tái)上重現(xiàn)了實(shí)際試車過程低壓渦輪后排氣溫度Tt出現(xiàn)擺動(dòng)的故障仿真，以及通過在熱電偶回路串入低通濾波器濾除干擾等仿真。需要指出的是，本文僅針對低壓渦輪后排氣溫度Tt外環(huán)控制進(jìn)行仿真，對控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的仿真還需深入研究，進(jìn)一步可以推廣到航空發(fā)動(dòng)機(jī)其余控制系統(tǒng)的故障仿真，提高排除故障效率，消除安全隱患。