核心機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口可調(diào)靜子葉片角度控制規(guī)律

王赫，楊純輝，韓文俊，王晨

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015；2.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室，沈陽 110043）

0 引言

核心機(jī)試驗(yàn)涉及不同的進(jìn)氣狀態(tài)，從常溫常壓狀態(tài)到加溫加壓狀態(tài)，試驗(yàn)工作包線遠(yuǎn)寬于配裝發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的使用包線。并且在核心機(jī)試驗(yàn)過程中進(jìn)氣溫度和壓力需要根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)的變化頻繁調(diào)節(jié)，導(dǎo)致核心機(jī)處于大量的過渡態(tài)工作過程，增加了喘振、超溫等風(fēng)險(xiǎn)。因此，為保證在核心機(jī)試驗(yàn)過程中不發(fā)生喘振、超溫等故障，制定適用于核心機(jī)的穩(wěn)態(tài)以及過渡態(tài)的壓氣機(jī)進(jìn)口可調(diào)靜子葉片角度（）規(guī)律尤為重要。

國外一直在開展對于控制規(guī)律的研究。50多年前，Sellers和Szeliga等在發(fā)動(dòng)機(jī)型號研制前，針對核心機(jī)本身的控制規(guī)律就已經(jīng)做了大量的研制工作，為后續(xù)型號研制打下基礎(chǔ)；lebman等也開展了壓氣機(jī)靜子角度對發(fā)動(dòng)機(jī)/核心機(jī)性能的影響研究。后來國外對于的控制方式做了進(jìn)一步研究。俄羅斯的AЛ-31Φ發(fā)動(dòng)機(jī)在全包線范圍內(nèi)都以-的方式進(jìn)行控制；美國為更好地發(fā)揮CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的性能，以換算到壓氣機(jī)進(jìn)口25截面高壓壓氣機(jī)換算轉(zhuǎn)速對進(jìn)行控制。中國也逐漸意識到發(fā)動(dòng)機(jī)/核心機(jī)控制規(guī)律研究的重要性。隋巖峰等研究了一種基于數(shù)據(jù)加權(quán)的計(jì)算方法，應(yīng)用換算參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)變換反映發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)/過渡態(tài)，有效地進(jìn)行控制；黃愛華基于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)，研究了壓氣機(jī)進(jìn)口可調(diào)靜子葉片角度在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)的控制規(guī)律以及對壓氣機(jī)的影響；韓文俊等基于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)模型研究了改變對發(fā)動(dòng)機(jī)過渡態(tài)的影響，并以此設(shè)計(jì)了加速過程控制方法；歐陽輝等以某型發(fā)動(dòng)機(jī)為例，對處于中間及以上狀態(tài)按高壓壓氣機(jī)換算轉(zhuǎn)速控制，對其余狀態(tài)（包括瞬態(tài)工作過程）按高壓壓氣機(jī)換算轉(zhuǎn)速和換算到壓氣機(jī)進(jìn)口25截面高壓壓氣機(jī)換算轉(zhuǎn)速中的偏關(guān)值控制。

本文以核心機(jī)試驗(yàn)需求為牽引，考慮試驗(yàn)過程中進(jìn)氣溫度和壓力調(diào)節(jié)給核心機(jī)帶來大量的過渡態(tài)工作過程，以保證試驗(yàn)中核心機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性為目標(biāo)，研究并設(shè)計(jì)核心機(jī)控制規(guī)律。

1 α2穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律

在整機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)，按高壓壓氣機(jī)換算轉(zhuǎn)速和換算到25截面高壓壓氣機(jī)換算轉(zhuǎn)速擇優(yōu)控制。并且規(guī)律按發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度進(jìn)行分段控制。這是為了使發(fā)動(dòng)機(jī)在較高進(jìn)氣溫度和大馬赫數(shù)條件下發(fā)揮出較好的性能水平，對規(guī)律進(jìn)行偏開控制，增加核心機(jī)進(jìn)氣流量，提高壓氣機(jī)效率，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)大狀態(tài)性能。

核心機(jī)試驗(yàn)可以通過調(diào)整控制規(guī)律研究壓氣機(jī)特性的變化，不需要設(shè)計(jì)多個(gè)溫度段進(jìn)行角度控制，僅對同種進(jìn)氣條件作為基礎(chǔ)控制參數(shù)進(jìn)行和-控制規(guī)律對比。

式中：為風(fēng)扇相對物理轉(zhuǎn)速；為壓氣機(jī)相對物理轉(zhuǎn)速；為壓氣機(jī)進(jìn)口總溫。

在相似工作狀態(tài)下，無量綱參數(shù)也為恒定值

根據(jù)式（1）～（3）推導(dǎo)出高壓換算轉(zhuǎn)速也為相似參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)相似參數(shù)擬合公式選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性中參數(shù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

根據(jù)式（2）、（4）和轉(zhuǎn)速特性參數(shù)，高壓壓氣機(jī)換算轉(zhuǎn)速和換算到25截面高壓壓氣機(jī)換算轉(zhuǎn)速均為相似參數(shù)；因此和可以用矩陣關(guān)系式表示

式中：＝×（288.15/）；＝常數(shù)××（288.15/）。

和的 關(guān) 系 曲線如圖1所示。

圖1 n2R和n2R25關(guān)系曲線

將按式（5）轉(zhuǎn)換成（穩(wěn)態(tài)擬合），因此可以將-的關(guān)系轉(zhuǎn)換成（穩(wěn)態(tài)擬合）-的關(guān)系。

在低轉(zhuǎn)速段，穩(wěn)態(tài)擬合-相對于-偏開；在高轉(zhuǎn)速段，穩(wěn)態(tài)擬合-相對于-偏關(guān)，整體相差不大。因此在整機(jī)狀態(tài)下，核心機(jī)在大部分節(jié)流工作范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制規(guī)律按-偏關(guān)控制；在中間狀態(tài)下按-偏開控制。

核心機(jī)穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律與整機(jī)-控制規(guī)律相同，按照控制，=常數(shù)××（288.15/）。因此在大部分的節(jié)流工作范圍內(nèi)，核心機(jī)相對于發(fā)動(dòng)機(jī)α控制規(guī)律偏開控制；在中間狀態(tài)下控制規(guī)律相同，如圖2所示。

圖2 α2控制規(guī)律對比

2 α2過渡態(tài)控制規(guī)律對比

2.1 整機(jī)過渡態(tài)控制

在加減速、消防喘和慣性起動(dòng)過程的發(fā)動(dòng)機(jī)控制存在偏關(guān)設(shè)計(jì)，這主要是考慮壓氣機(jī)在這些過渡過程中具有良好的穩(wěn)定裕度，具體如下：

（1）在加速過程中的超調(diào)量應(yīng)不大于1.5°；在減 速 過 程 中按控 制 且 相 對（）程 序 偏 關(guān)5.5°；

（2）在消防喘過程中，在當(dāng)前控制計(jì)劃值的基礎(chǔ)上關(guān)小5°；

（3）在慣性起動(dòng)過程中，在當(dāng)前控制計(jì)劃值基礎(chǔ)上關(guān)小2°。

在核心機(jī)試驗(yàn)過程中沒有慣性起動(dòng)功能，也沒有防喘功能，因此不用考慮這2種過渡態(tài)偏關(guān)邏輯。本文選取整機(jī)試車數(shù)據(jù)，主要對加減速狀態(tài)進(jìn)行分析。

在實(shí)際試車過程中，傳感器存在滯后，在加速過程中升高慢，在減速過程中降低慢。在過渡態(tài)過程中，和的轉(zhuǎn)差相對關(guān)系和穩(wěn)態(tài)時(shí)的不同，風(fēng)扇出口溫度會發(fā)生變化，因此式（5）在過渡態(tài)過程中不再適用。但是，在過渡態(tài)過程中風(fēng)扇的工作點(diǎn)與穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)變化不大，因此風(fēng)扇出口溫度與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速存在必然聯(lián)系，在發(fā)動(dòng)機(jī)過渡態(tài)過程中用穩(wěn)態(tài)公式（1）、（3）和節(jié)流特性數(shù)據(jù)來近似表示和/的關(guān)系式

和/關(guān)系曲線如圖3所示。

根據(jù)式（6）擬合出新的，認(rèn)為此為發(fā)動(dòng)機(jī)過渡態(tài)過程中實(shí)際的，并 根據(jù) 此計(jì) 算出新的，作為發(fā)動(dòng)機(jī)過渡態(tài)過程中實(shí)際，記為。

圖3 n1R和T25/T1的關(guān)系曲線

2.2 加速過程對比

通過實(shí)時(shí)模型仿真計(jì)算，在發(fā)動(dòng)機(jī)加速過程中壓氣機(jī)工作點(diǎn)在穩(wěn)態(tài)工作線上面，離喘振邊界更近（如圖4所示），因此在加速過程中尤其是在加速開始時(shí)刻更容易發(fā)生喘振。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)加減速過程壓氣機(jī)工作點(diǎn)變化（仿真）

發(fā)動(dòng)機(jī)加減速過程轉(zhuǎn)差變化如圖5所示。從圖中可見，在加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差變大，這是由于核心機(jī)轉(zhuǎn)速受主燃油的影響更直接，上升速率大于的。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)加減速過程轉(zhuǎn)差變化（試車）

在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際加速過程中的參數(shù)變化如圖6所示。經(jīng)過擬合后的不存在滯后，比升高快，因此根據(jù)公式＝常數(shù)××（288.15/）算出的比偏低。在加速過程中實(shí)測的為控制的結(jié)果，而通過插值得到的相對來說偏開很多，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際加速過程中控制規(guī)律與壓氣機(jī)穩(wěn)態(tài)工作規(guī)律基本一致。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際加速過程中的參數(shù)變化

核心機(jī)過渡態(tài)控制規(guī)律參考發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)控制規(guī)律與壓氣機(jī)穩(wěn)態(tài)工作規(guī)律（擬合后-）的關(guān)系，以及在過渡態(tài)過程中壓氣機(jī)工作點(diǎn)變化情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于核心機(jī)而言，考慮在加速過程中壓氣機(jī)工作點(diǎn)在穩(wěn)態(tài)工作線上面、核心機(jī)沒有加速指標(biāo)（加速油相對量減少）以及臺架氣源匹配等因素，核心機(jī)加速時(shí)按控制規(guī)律基礎(chǔ)上偏關(guān)2°控制，與在發(fā)動(dòng)機(jī)加速過程中的規(guī)律對比如圖7所示。在加速過程中偏關(guān)控制，會導(dǎo)致核心機(jī)進(jìn)氣流量減少，可能使油氣比增大從而使渦輪前溫度提高，進(jìn)而使工作點(diǎn)提高，有一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在加速過程中偏關(guān)，一方面會提高壓氣機(jī)喘振邊界，另一方面提高了壓氣機(jī)工作點(diǎn)。

圖7 在發(fā)動(dòng)機(jī)加速過程中的α2規(guī)律

2.3 減速過程對比

通過實(shí)時(shí)模型仿真計(jì)算，在發(fā)動(dòng)機(jī)減速過程中壓氣機(jī)工作點(diǎn)在穩(wěn)態(tài)工作線下面，離喘振邊界更遠(yuǎn)（圖4），因此在減速過程中更難發(fā)生喘振。

在減速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差也變大（圖5），與實(shí)時(shí)模型計(jì)算結(jié)果相反，這是由于在實(shí)際試車減速過程中存在超前邏輯。偏關(guān)后，核心機(jī)流量減小，抽吸能力減弱，對風(fēng)扇有一定程度的堵塞作用，導(dǎo)致風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低加快，轉(zhuǎn)差變大。

在發(fā)動(dòng)機(jī)減速過程中的參數(shù)變化如圖8所示。此線形為實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)存在超前邏輯下的減速過程圖，如果不存在超前邏輯，減速過程圖會有很大變化。經(jīng)過擬合后的不存在滯后，比降低快，因此根據(jù)公式＝常數(shù)××（288.15/）算出的擬合比實(shí)測偏高。在減速過程中按和偏關(guān)控基礎(chǔ)上再偏關(guān)，實(shí)測的為控制基礎(chǔ)上偏關(guān)的結(jié)果，而用擬合插值得到的偏開很多，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際減速過程中控制規(guī)律相對于壓氣機(jī)穩(wěn)態(tài)工作規(guī)律偏關(guān)10°～20°。

圖8 在發(fā)動(dòng)機(jī)減速過程中的參數(shù)變化

核心機(jī)過渡態(tài)控制規(guī)律參考發(fā)動(dòng)機(jī)減速時(shí)控制規(guī)律與壓氣機(jī)穩(wěn)態(tài)工作規(guī)律（擬合后-）的關(guān)系，以及過渡態(tài)過程壓氣機(jī)工作點(diǎn)變化情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于核心機(jī)而言，考慮在減速過程中壓氣機(jī)工作點(diǎn)在穩(wěn)態(tài)工作線下面、核心機(jī)沒有減速指標(biāo)（減速油相對量增加）以及臺架氣源匹配等因素，在核心機(jī)減速過程中按控制規(guī)律基礎(chǔ)上偏關(guān)5.5°控制，與在發(fā)動(dòng)機(jī)減速過程中的規(guī)律對比如圖9所示。

圖9 在發(fā)動(dòng)機(jī)減速過程中的α2規(guī)律

在發(fā)動(dòng)機(jī)消喘過程中按當(dāng)前控制規(guī)律偏關(guān)5°，在消喘過程中類似于1個(gè)減速再加速過程，通過減油迅速降低發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，通過關(guān)增大壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度，因此在核心機(jī)消喘時(shí)按-控制規(guī)律基礎(chǔ)上偏關(guān)10°控制。

3 結(jié)論

（1）核心機(jī)穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律與整機(jī)穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律相近，按整機(jī)穩(wěn)態(tài)-控制；

（2）參考發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)控制規(guī)律，以及在加速過程中壓氣機(jī)工作點(diǎn)變化情況，核心機(jī)加速時(shí)按穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律基礎(chǔ)上偏關(guān)2°控制；

（3）參考發(fā)動(dòng)機(jī)減速時(shí)控制規(guī)律，以及在減速過程中壓氣機(jī)工作點(diǎn)變化情況，核心機(jī)減速時(shí)按穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律基礎(chǔ)上偏關(guān)5.5°控制。