航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制與試驗(yàn)研究

袁俊

（中國(guó)航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213022）

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)具有耗油量低、推重比高等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，被普遍用于客機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)、無(wú)人機(jī)、巡航導(dǎo)彈等航空飛行器的動(dòng)力需求之中。但同時(shí)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度要求高，為保障其正常運(yùn)行，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造完成后，還需要對(duì)其進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)和起動(dòng)控制試驗(yàn)。其中，起動(dòng)控制試驗(yàn)主要是評(píng)測(cè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中，是否存在起動(dòng)問(wèn)題。由于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中，很容易因?yàn)楣┯土坎粔蚓_而出現(xiàn)“熱懸掛”和超溫問(wèn)題。因此，有必要提出合理的起動(dòng)控制方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的良好控制，避免超溫問(wèn)題對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的損壞，提高發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功率，并應(yīng)利用試驗(yàn)?zāi)M的方式驗(yàn)證起動(dòng)控制方案的效果與可行性。

本文以某型航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制方案，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)和起動(dòng)控制試驗(yàn)的要求，搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)；然后，對(duì)起動(dòng)控制方案進(jìn)行試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整優(yōu)化起動(dòng)過(guò)程供油量調(diào)整控制參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中渦輪出口的燃?xì)庾罡邷囟扔写蠓冉档停覝囟鹊竭_(dá)峰值時(shí)間也有所縮短。這也證明了通過(guò)起動(dòng)控制方案的實(shí)施及調(diào)整優(yōu)化，能實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制過(guò)程中的精確供油，從而很好地避免了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、渦輪、尾噴管等熱端部件氣流通道中的燃?xì)鉁囟瘸瑴貙?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞。此外，該起動(dòng)控制試驗(yàn)的結(jié)果，也為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)結(jié)構(gòu)與性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供了有益的參考。

1 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理及起動(dòng)控制常見(jiàn)問(wèn)題

1.1 主要結(jié)構(gòu)與工作原理

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要是由進(jìn)氣通道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、尾噴管這五個(gè)主要部件所構(gòu)成，典型結(jié)構(gòu)圖1 所示。其主要工作原理為：壓氣機(jī)將空氣通過(guò)進(jìn)氣通道吸入；壓氣機(jī)葉片將空氣壓縮為高壓空氣，導(dǎo)入進(jìn)燃燒室；燃燒室內(nèi)高壓空氣與燃油混合燃燒，生成高溫高壓燃?xì)?；高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)，渦輪旋轉(zhuǎn)又帶動(dòng)壓氣機(jī)；燃?xì)庠谖矅姽芘蛎泧姵?，產(chǎn)生較大的推動(dòng)力量，帶動(dòng)航空飛行器的飛行。

圖1 典型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的總結(jié)結(jié)構(gòu)截面示意圖

1.2 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的“熱懸掛”和超溫問(wèn)題

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中，很容易因?yàn)楣┯土坎粔蚓_而出現(xiàn)“熱懸掛”和超溫問(wèn)題?！盁釕覓臁笔侵赴l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)隨著供油上升而提高，甚至?xí)霈F(xiàn)下降。當(dāng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)“熱懸掛”時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、渦輪、尾噴管出口溫度會(huì)急劇升高，不僅容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熱端零部件因過(guò)大的熱載荷而受到損壞，而且嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行故障，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常使用壽命。

因此，有必要提出相應(yīng)的起動(dòng)控制方案，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證及調(diào)整優(yōu)化，從而有效解決燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中常見(jiàn)的超溫問(wèn)題。

2 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的控制方案

為了有效地解決燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)楣┯土坎粔蚓_，在起動(dòng)控制過(guò)程中容易出現(xiàn)的“熱懸掛”和超溫問(wèn)題。本文以某型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，從硬件和軟件這兩個(gè)角度入手，提出了其起動(dòng)控制方案。

（1）硬件方案。設(shè)計(jì)采用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器，其工作原理是利用電子控制器的主控單元和信號(hào)傳輸單元，以實(shí)時(shí)接收發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)信號(hào)，并根據(jù)參數(shù)信號(hào)與預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以發(fā)送動(dòng)態(tài)化的控制命令傳輸?shù)讲竭M(jìn)電機(jī)。該控制器在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)框架（如圖2 所示），主要由電子控制器（主控單元）、傳感器（信號(hào)傳輸單元）、油路系統(tǒng)、油泵、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元等共同組成。

圖2 控制器在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)框架

其中，電子控制器主要負(fù)責(zé)采集和處理各傳感器傳輸?shù)臏囟刃盘?hào)，并通過(guò)相應(yīng)的控制算法，將控制命令輸出到步進(jìn)電機(jī)，以精確調(diào)整供油泵出口油針開(kāi)度，控制發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段的供油量。

（2）軟件方案。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制的軟件方案，主要為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與硬件優(yōu)化方案相匹配的測(cè)控軟件。測(cè)控軟件采用模塊化思想，根據(jù)硬件控制器的實(shí)際需求，將軟件功能集成實(shí)現(xiàn)以下功能模塊：①傳感器數(shù)據(jù)的采集功能；②數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)功能；③參數(shù)設(shè)置功能；④數(shù)據(jù)處理與傳輸功能，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的起動(dòng)控制、加減速控制、停車(chē)控制等操作，如圖3 所示。

圖3 起動(dòng)控制軟件的功能模塊框架

3 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制試驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證

3.1 起動(dòng)控制試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的搭建

起動(dòng)控制試驗(yàn)主要是評(píng)測(cè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中，是否存在超溫問(wèn)題，通過(guò)將試驗(yàn)過(guò)程中排氣溫度值與預(yù)設(shè)溫度值進(jìn)行對(duì)比分析，以真實(shí)客觀地測(cè)評(píng)出發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行可靠性與起動(dòng)性能。

本文采用試驗(yàn)?zāi)M的方式，以驗(yàn)證燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制方案的效果與可行性。首先，應(yīng)根據(jù)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)和起動(dòng)控制方案的要求，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上搭建起動(dòng)控制試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，主要由試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)、安裝平臺(tái)、供油系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電子控制器以及測(cè)控軟件等共同組成。

其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制試驗(yàn)的重要組成部分，該系統(tǒng)主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的調(diào)理轉(zhuǎn)換、自動(dòng)采集和管理功能。由于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，測(cè)量參數(shù)數(shù)據(jù)的類(lèi)型較多，包括壓力、轉(zhuǎn)速、溫度、流量等。這就需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將傳感器接受的響應(yīng)信號(hào)，轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的4 ～20mA 電壓信號(hào)，并將信號(hào)分別送往電子控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、記錄、分析與管理。然后電子控制器再根據(jù)相應(yīng)的控制算法，將控制命令輸出到步進(jìn)電機(jī)，以精確調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)供油泵出口的油針開(kāi)度，控制發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段的供油量，實(shí)現(xiàn)供油量的精確控制。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息的采集

由于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)控制中，很容易因?yàn)楣┯土坎粔蚓_而出現(xiàn)超溫問(wèn)題。為了驗(yàn)證起動(dòng)控制方案對(duì)解決超溫問(wèn)題的有效性，本次試驗(yàn)主要對(duì)起動(dòng)過(guò)程中燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪出口的溫度數(shù)據(jù)T 進(jìn)行測(cè)量，以檢驗(yàn)試驗(yàn)的效果與可行性。同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整優(yōu)化控制算法中的相關(guān)參數(shù)，修正發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的供油量，以降低起動(dòng)溫度并保證起動(dòng)成功。本次試驗(yàn)中溫度數(shù)據(jù)信息的采集，采用的是K 型鎳硅熱電偶溫度探頭，其測(cè)溫范圍可達(dá)到1400℃，遠(yuǎn)高于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的正常工作溫度，能充分滿足測(cè)量要求。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用測(cè)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行曲線繪制，可得出起動(dòng)控制方案參數(shù)優(yōu)化前后，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制階段。在試驗(yàn)中，為降低試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差，在渦輪出口設(shè)置了兩根K 型鎳硅熱電偶溫度探頭。在采取優(yōu)化方案后，渦輪出口的溫度峰值有明顯降低，從757 ℃降低到705℃，最高溫度峰值差達(dá)到了52℃，且兩個(gè)溫度探頭所測(cè)得的溫度峰值都有所提前，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)熱端零部件長(zhǎng)期受到高熱載荷的影響而受損。這也證明了通過(guò)該優(yōu)化方案的實(shí)施，能實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制過(guò)程中的精確供油，從而很好地避免發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、渦輪、尾噴管等熱端部件氣流通道中的燃?xì)鉁囟瘸瑴貑?wèn)題對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)“熱懸掛”時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、渦輪、尾噴管等熱端部件氣流通道中的燃?xì)鉁囟葧?huì)急劇升高，不僅容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)各類(lèi)零部件因過(guò)大的熱載荷而受到損壞，而且嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行故障，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常使用壽命。為了有效解決燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)楣┯土坎粔蚓_，在起動(dòng)控制過(guò)程中容易出現(xiàn)的“熱懸掛”和超溫問(wèn)題，本文以某型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，從硬件和軟件這兩個(gè)角度入手，提出了其起動(dòng)控制方案，并利用試驗(yàn)?zāi)M的方式驗(yàn)證了該方案的效果與可行性。同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)起動(dòng)控制方案供油量控制算法相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化前后溫度數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)起動(dòng)控制過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口的最高溫度大幅度降低，且溫度到達(dá)峰值的時(shí)間也有所提前，從而有效地避免了起動(dòng)超溫問(wèn)題對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件性能及使用壽命的損壞。