航空發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

王日平，崔利豐，馮力，徐鑫，王小鵬，楊奔

（1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015；2.中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫 214063；3.中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，西安 710077）

0 引言

起動(dòng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，包括地面起動(dòng)和空中起動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)用戶和通用規(guī)范對(duì)起動(dòng)過(guò)程基本要求是起動(dòng)時(shí)間短、不超溫、不喘振、不懸掛，因此提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功率對(duì)飛機(jī)正常執(zhí)行任務(wù)起著至關(guān)重要的作用。起動(dòng)系統(tǒng)分為開環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)和閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)，近年來(lái)，隨著高性能數(shù)字電子控制器的應(yīng)用和發(fā)展，中國(guó)在多型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)起動(dòng)，提高了起動(dòng)成功率。但是，目前部隊(duì)配裝的發(fā)動(dòng)機(jī)占主導(dǎo)地位的起動(dòng)系統(tǒng)仍為液壓機(jī)械式開環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)，起動(dòng)性能欠佳，尤其在高原起動(dòng)困難，需要根據(jù)大氣溫度或海拔高度變化頻繁調(diào)整，增加機(jī)務(wù)工作量，影響飛行任務(wù)的執(zhí)行。另外根據(jù)用戶需求，解決發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難和頻繁調(diào)整問(wèn)題，要保證飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)接口不變，因此在原有液壓機(jī)械式開環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)起動(dòng)的需求尤為迫切。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓機(jī)械式開環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)逐漸被閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)取代。楊懿松等在航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)字電子控制器計(jì)算給定轉(zhuǎn)速速率和反饋轉(zhuǎn)速速率偏差實(shí)現(xiàn)了供油的精確調(diào)節(jié)；李勝泉等針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)問(wèn)題提出了一種基于轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)的燃油流量調(diào)節(jié)方法；Richter同樣提到了基于轉(zhuǎn)速速率的閉環(huán)起動(dòng)控制在起動(dòng)成功率上的優(yōu)勢(shì)；Sukhovii等對(duì)基于轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)起動(dòng)的控制算法進(jìn)行了研究。上述對(duì)閉環(huán)起動(dòng)供油調(diào)節(jié)方式的研究均為直接控制燃油計(jì)量活門開度，而對(duì)于在液壓機(jī)械式開環(huán)供油的基礎(chǔ)上進(jìn)行燃油流量修正的研究仍屬空白。

本文針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中存在的平原起動(dòng)性能不佳、高原起動(dòng)困難、需要頻繁調(diào)整和空中起動(dòng)邊界較小的問(wèn)題，首次提出了一種在開環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上疊加供油修正系統(tǒng)后形成閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)的方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基本原理

在原有起動(dòng)裝置上，通過(guò)在主燃油泵調(diào)節(jié)器齒輪泵后燃油與計(jì)量活門后燃油之間增加帶補(bǔ)油油嘴的油路，并增加定壓活門、斷電放油閥、放油油嘴、層板以及由數(shù)字電子控制器控制占空比的補(bǔ)油電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)起動(dòng)功能。閉環(huán)起動(dòng)燃油修正原理如圖1所示。

圖1 閉環(huán)起動(dòng)燃油修正原理

在起動(dòng)供油階段，在高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速低于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，起動(dòng)閉環(huán)功能不工作，流過(guò)補(bǔ)油油嘴的燃油通過(guò)斷電放油閥及層板回油，回油流量與補(bǔ)油油嘴流量相當(dāng)，對(duì)計(jì)量后燃油流量不產(chǎn)生影響。達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速后，起動(dòng)閉環(huán)功能開始發(fā)揮作用，通過(guò)斷電放油閥關(guān)閉放油油嘴的回油，此時(shí)回油通過(guò)補(bǔ)油電磁閥以及層板實(shí)現(xiàn)。數(shù)字電子控制器對(duì)比實(shí)際升高率與起動(dòng)閉環(huán)控制規(guī)律的差異，計(jì)算出占空比驅(qū)動(dòng)補(bǔ)油電磁閥放油。當(dāng)升高率與數(shù)字電子控制器設(shè)計(jì)的控制規(guī)律一致時(shí)，補(bǔ)油電磁閥接收到調(diào)節(jié)器輸入的50%占空比信號(hào)，補(bǔ)油電磁閥及層板回油流量之和與補(bǔ)油油嘴流量相等，對(duì)計(jì)量后燃油流量不產(chǎn)生影響；當(dāng)轉(zhuǎn)速升高率低于（或高于）設(shè)計(jì)的控制規(guī)律時(shí)，調(diào)節(jié)器給出低于（或高于）50%的占空比信號(hào)，驅(qū)動(dòng)補(bǔ)油電磁閥使回油流量減?。ɑ蛟龃螅?，實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過(guò)程中按升高率閉環(huán)對(duì)供油量的修正。閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)原理如圖2所示。圖中，為轉(zhuǎn)速升高率設(shè)計(jì)值；為按和修正的轉(zhuǎn)速升高率計(jì)劃值為轉(zhuǎn)速升高率實(shí)際值，可查表得到（表格內(nèi)容不再贅述）。

圖2 閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)原理

2 改進(jìn)基礎(chǔ)

2.1 油源

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)燃油控制由主燃油泵調(diào)節(jié)器和起動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)。其中主燃油泵調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)主燃油流量的計(jì)量工作；起動(dòng)裝置的功能為接受到自動(dòng)起動(dòng)箱發(fā)出的指令，利用齒輪泵后燃油打開計(jì)量活門后燃油通往主燃燒室的供油油路。換句話說(shuō)，該型發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)自主燃油泵調(diào)節(jié)器的齒輪泵后燃油和計(jì)量活門后燃油均與起動(dòng)裝置相連，改進(jìn)后起動(dòng)裝置正是利用這2路油源并增加補(bǔ)油油嘴實(shí)現(xiàn)補(bǔ)油功能，再通過(guò)增加1個(gè)數(shù)字電子控制器控制占空比的補(bǔ)油電磁閥進(jìn)行放油控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主燃油泵調(diào)節(jié)器供出的燃油進(jìn)行修正的功能。

2.2 數(shù)字電子控制器

為實(shí)現(xiàn)起動(dòng)過(guò)程供油量基于升高率的閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)需要采集實(shí)際升高率，并設(shè)計(jì)與大氣溫度、海拔高度等因素相關(guān)的控制規(guī)律，通過(guò)判斷實(shí)際升高率與控制規(guī)律的差異情況調(diào)整供油，以改善起動(dòng)控制效果。為此研制了數(shù)字電子控制器，在原有接口中采集了和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總溫，另外其中內(nèi)置了艙壓傳感器，因此在硬件輸入環(huán)節(jié)具備了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)起動(dòng)的能力。

2.3 電氣線路

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)原有模擬式綜合電子調(diào)節(jié)器保留了渦輪冷卻功能的2根線路，通過(guò)飛機(jī)電纜連接至發(fā)動(dòng)機(jī)主接線盒上，將模擬式電子調(diào)節(jié)器改為數(shù)字式電子控制器后，風(fēng)扇導(dǎo)葉角度和高壓壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片角度角位移測(cè)試通道不再需要硬線進(jìn)行溫度補(bǔ)償，剩余2根線路，因此控制系統(tǒng)在硬件輸出環(huán)節(jié)也具備了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)起動(dòng)的能力。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 起動(dòng)裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)

由于某型發(fā)動(dòng)機(jī)不需要燃油激增功能，改進(jìn)后J/RT-144起動(dòng)裝置取消了實(shí)現(xiàn)燃油激增功能所用的切斷活門及燃油激增調(diào)整螺釘?shù)认嚓P(guān)零組件，用堵頭、堵塞等零件封堵了相關(guān)油路，為增加實(shí)現(xiàn)閉環(huán)起動(dòng)功能所用的斷電放油閥、補(bǔ)油電磁閥、定壓活門、放油油嘴及帶補(bǔ)油油嘴的油路等相關(guān)零組件提供了空間，保證了燃油接口與安裝孔相對(duì)位置與原起動(dòng)裝置一致，實(shí)現(xiàn)原位換裝。

改進(jìn)后J/RT-144起動(dòng)裝置原理如圖3所示。在燃油修正功能不工作時(shí)，斷電放油閥保持接通，補(bǔ)油電磁閥保持關(guān)斷，使通過(guò)補(bǔ)油油嘴增加的流量全部通過(guò)放油油嘴和層板回油，此時(shí)有

式中：為層板流量；為放油油嘴流量；為補(bǔ)油油嘴流量。

圖3 改進(jìn)后J/RT-144起動(dòng)裝置原理

燃油修正功能工作時(shí)，斷電放油閥保持?jǐn)嚅_，補(bǔ)油油嘴增加的流量通過(guò)補(bǔ)油電磁閥和層板回油，此時(shí)有

式中：（）為占空比為時(shí)補(bǔ)油電磁閥流量；為燃油修正流量。

當(dāng)=50%時(shí)，通過(guò)補(bǔ)油油嘴增加的流量全部通過(guò)補(bǔ)油電磁閥和層板回油，此時(shí)有

式中：為=50%時(shí)補(bǔ)油電磁閥流量。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)上新增了閉環(huán)起動(dòng)控制率模塊，采用基于升高率的PID控制方法。在控制算法中設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速變比例系數(shù)和轉(zhuǎn)速升高率誤差修正系數(shù)。通過(guò)辨識(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中不同轉(zhuǎn)速段的轉(zhuǎn)速升高率特性，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速變比例參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中不同轉(zhuǎn)速段下都能獲得良好的控制效果，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于轉(zhuǎn)速升高率的誤差修正系數(shù)，加快較大誤差下的轉(zhuǎn)速升高率響應(yīng)速度，同時(shí)增強(qiáng)小誤差下的穩(wěn)態(tài)性能，從而提升轉(zhuǎn)速升高率閉環(huán)控制效果。

地面起動(dòng)控制規(guī)律計(jì)劃值為

風(fēng)車起動(dòng)、慣性自動(dòng)起動(dòng)控制規(guī)律計(jì)劃值為

式中：為大氣壓。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 地面臺(tái)架開環(huán)試驗(yàn)

4.1.1 試驗(yàn)結(jié)果

開環(huán)起動(dòng)供油曲線如圖4所示。從圖中可見，調(diào)整釘初始位置和調(diào)整釘里擰36響共2個(gè)狀態(tài)供油曲線，每種狀態(tài)供油曲線均為斷電放油閥通電，補(bǔ)油電磁閥占空比分別為20%、50%、80%，分別對(duì)應(yīng)閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)最大減油能力、平衡位置（不加油不減油）、最大加油能力的起動(dòng)供油曲線，調(diào)整釘初始位置狀態(tài)在40%以前，供油修正能力較弱；在40%以后，供油修正能力明顯增強(qiáng)。調(diào)整釘里擰36響狀態(tài)在34%以前，供油修正能力較弱；在34%以后，供油修正能力明顯增強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)具備燃油修正能力。

圖4 開環(huán)起動(dòng)供油曲線

4.1.2 原因分析

起動(dòng)控制器原理如圖5所示。從圖中可見，調(diào)整釘、高壓壓氣機(jī)后壓力以及主燃油泵調(diào)節(jié)器計(jì)量活門后油壓共同影響起動(dòng)回油活門的開度。

圖5 起動(dòng)控制器原理

一方面，在起動(dòng)前段，起動(dòng)回油活門具有一定的開度，起動(dòng)裝置對(duì)供油量的修正會(huì)影響主燃油泵調(diào)節(jié)器計(jì)量活門后燃油壓力，若起動(dòng)裝置做出增加供油量的修正，則計(jì)量活門后油壓升高，造成起動(dòng)回油增加，一定程度減少了計(jì)量活門后油量，表現(xiàn)為起動(dòng)裝置對(duì)增加供油的修正能力降低；若起動(dòng)裝置做出減少供油量的修正，則計(jì)量活門后油壓會(huì)降低，造成起動(dòng)回油減少，一定程度上增加了計(jì)量活門后油量，表現(xiàn)為起動(dòng)裝置對(duì)減少供油的修正能力降低。隨著起動(dòng)轉(zhuǎn)速的升高，起動(dòng)回油活門關(guān)斷，不再對(duì)起動(dòng)裝置的供油修正能力產(chǎn)生影響，此時(shí)起動(dòng)裝置的供油修正能力明顯提高。

另一方面，調(diào)整釘控制起動(dòng)回油活門關(guān)斷的時(shí)機(jī)，調(diào)整釘順時(shí)針?lè)较驍Q入（里擰），調(diào)準(zhǔn)彈簧預(yù)緊力增大，則起動(dòng)回油活門關(guān)斷的時(shí)機(jī)會(huì)出現(xiàn)在較低的位置；相反調(diào)整釘逆時(shí)針?lè)较驍Q出（外擰），調(diào)準(zhǔn)彈簧預(yù)緊力減小，則起動(dòng)回油活門關(guān)斷的時(shí)機(jī)出現(xiàn)在較高的位置。從圖4中可見，調(diào)整釘里擰36響后，燃油修正能力明顯提高的拐點(diǎn)從40%提前到34%。

4.2 地面臺(tái)架閉環(huán)試驗(yàn)

4.2.1 失速對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)調(diào)整釘里擰6響、調(diào)整釘里擰15響對(duì)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行大幅度加油，發(fā)動(dòng)機(jī)在此狀態(tài)下分別進(jìn)行開環(huán)起動(dòng)和閉環(huán)起動(dòng)，失速對(duì)比試驗(yàn)供油曲線如圖6所示。在開環(huán)狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)失速轉(zhuǎn)速下掉，起動(dòng)失敗。在閉環(huán)起動(dòng)后供油修正系統(tǒng)投入工作，減少供油量則發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功，可以認(rèn)為閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)可以解決發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)失速的問(wèn)題。

4.2.2 懸掛對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)調(diào)整釘里擰0.25圈、調(diào)整釘外擰14響對(duì)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行大幅度減油，發(fā)動(dòng)機(jī)在此狀態(tài)下分別進(jìn)行開環(huán)起動(dòng)和閉環(huán)起動(dòng)，懸掛對(duì)比試驗(yàn)供油曲線如圖7所示。在開環(huán)狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)懸掛，起動(dòng)失??；閉環(huán)起動(dòng)后供油修正系統(tǒng)工作，增加供油量發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功，可以認(rèn)為閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)可以解決發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)懸掛的問(wèn)題。

圖6 失速對(duì)比試驗(yàn)供油曲線

圖7 懸掛對(duì)比試驗(yàn)供油曲線

4.3 高空臺(tái)試驗(yàn)

4.3.1 風(fēng)車起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

高空臺(tái)風(fēng)車起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表中可見，在風(fēng)車起動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功進(jìn)入轉(zhuǎn)速升高率閉環(huán)控制后，風(fēng)車起動(dòng)能力有所提高。其中在高度=5 km時(shí)，表速左移50 km/h（要求600 km/h）；在=8 km時(shí)，左移100 km/h（要求650 km/h）；在=10 km時(shí)，左移100 km/h（要求700 km/h）。

表1 高空臺(tái)風(fēng)車起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

4.3.2 慣性起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

高空臺(tái)慣性起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表中可見，在慣性起動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功進(jìn)入轉(zhuǎn)速升高率閉環(huán)控制后，慣性起動(dòng)能力有所提高。在≥8 km時(shí)，左移100 km/h（要求650 km/h）。

表2 高空臺(tái)慣性起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

4.4 首翻期壽命試驗(yàn)

閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)隨發(fā)動(dòng)機(jī)完成了600 h首翻期壽命試驗(yàn)，共進(jìn)行795次起動(dòng)，僅1次失敗，原因?yàn)楦鼡Q主泵后點(diǎn)火油壓偏高，此時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)還沒(méi)有投入工作，起動(dòng)失敗次與閉環(huán)系統(tǒng)無(wú)關(guān)。

4.5 試飛考核試驗(yàn)

閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)隨發(fā)動(dòng)機(jī)完成了試飛考核試驗(yàn)，空中風(fēng)車起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表中可見，在風(fēng)車起動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功進(jìn)入轉(zhuǎn)速升高率閉環(huán)控制后，風(fēng)車起動(dòng)能力有所提高。其中在=5 km時(shí)，左移50 km/h（要求600 km/h）；在=8 km時(shí)，左移50 km/h（要求650 km/h），在=10 km時(shí)，左移50 km/h（要求700 km/h）。

表3 空中風(fēng)車起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

空中慣性起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表中可見，在慣性起動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功進(jìn)入轉(zhuǎn)速升高率閉環(huán)控制后，慣性起動(dòng)能力滿足要求。其中在≤8 km時(shí)，要求500 km/h；在＞8 km時(shí)，要求650 km/h。

表4 空中慣性起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

4.6 高原驗(yàn)證

配裝閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)的某型發(fā)動(dòng)機(jī)在高原進(jìn)行試驗(yàn)。其中一部分發(fā)動(dòng)機(jī)不經(jīng)調(diào)整就能可靠起動(dòng)，另一部分起動(dòng)失敗的發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)為到達(dá)68%懸掛（轉(zhuǎn)速和溫度均不升高），分析認(rèn)為閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)在=68%時(shí)退出工作，此時(shí)加速油量偏少導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛。針對(duì)該問(wèn)題，將閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)退出工作的改為70%，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠可靠起動(dòng)，進(jìn)一步表明閉環(huán)起動(dòng)的有效性。

5 結(jié)論

（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)液壓機(jī)械式開環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上疊加供油修正系統(tǒng)后形成閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的閉環(huán)起動(dòng)，大幅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)成功率；

（2）在保證燃油接口不變的約束下，通過(guò)借用原有油源及增加電液轉(zhuǎn)換指令相結(jié)合的方式改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種帶燃油流量修正功能的起動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了在原液壓機(jī)械供油規(guī)律基礎(chǔ)上進(jìn)行燃油流量修正的功能，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)裕度。在最少增加零組件的前提下實(shí)現(xiàn)燃油調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；

（3）地面臺(tái)架閉環(huán)試驗(yàn)表明，在開環(huán)起動(dòng)時(shí)失速及懸掛的發(fā)動(dòng)機(jī)，在閉環(huán)起動(dòng)時(shí)起動(dòng)成功；

（4）高空臺(tái)試驗(yàn)及試飛試驗(yàn)表明，閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)可以使空中風(fēng)車起動(dòng)和慣性起動(dòng)包線一定程度地左移；

（5）高原驗(yàn)證表明，閉環(huán)起動(dòng)系統(tǒng)能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)在高原可靠起動(dòng)。