殷　鍇，魏　芳，張　榮，黃　瀏，李志鵬，王　曦

（1.中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海201108；2.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，3.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191；4.中航工業(yè)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫214063）

考慮限制保護(hù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制技術(shù)

殷鍇1，魏芳1，張榮1，黃瀏1，李志鵬2，4，王曦2，3

（1.中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海201108；2.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，3.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191；4.中航工業(yè)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫214063）

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制方法直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。為在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中持續(xù)獲得高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上的最大剩余功率，提出了1種渦輪前總溫Tt4閉環(huán)控制規(guī)律用于設(shè)計(jì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制的方法。對(duì)于起動(dòng)過(guò)程中可能發(fā)生的風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)喘振和失速問(wèn)題，在設(shè)計(jì)的Tt4閉環(huán)回路前加入喘振裕度限制保護(hù)控制，并考慮到在起動(dòng)過(guò)程的第1階段中在起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)到發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前Tt4回路不起作用的特點(diǎn)，對(duì)Tt4回路設(shè)計(jì)了積分凍結(jié)邏輯。仿真結(jié)果表明：在滿(mǎn)足給定喘振裕度和渦輪前總溫不超溫的條件下，渦輪前總溫Tt4閉環(huán)控制方法能夠以持續(xù)的最大剩余功率使發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)到慢車(chē)功率狀態(tài)。

起動(dòng)控制規(guī)律；最大剩余功率；限制保護(hù)控制器；閉環(huán)控制；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0　引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制規(guī)律主要分2種：1種是按油氣比或油隨時(shí)間或轉(zhuǎn)速變化的開(kāi)環(huán)控制方案［1-4］；另1種是ndot轉(zhuǎn)子加速度閉環(huán)控制規(guī)律［4］。無(wú)論哪種方案，都要在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中保證發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)喘振和超溫，工程上一般通過(guò)試驗(yàn)方法來(lái)確定［1］。

本文針對(duì)帶限制保護(hù)控制器［5］的Tt4閉環(huán)控制規(guī)律設(shè)計(jì)問(wèn)題，以雙軸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，首先基于部件級(jí)模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速部件特性進(jìn)行了外推［6］，然后對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)修正，以此作為數(shù)字仿真平臺(tái)，對(duì)所提出的算法進(jìn)行了數(shù)字仿真驗(yàn)證。

1　起動(dòng)過(guò)程

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)氣動(dòng)截面如圖1所示。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程是在通過(guò)起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)?轉(zhuǎn)速加速到燃燒室可點(diǎn)燃的轉(zhuǎn)速，使燃?xì)鉁u輪作功帶轉(zhuǎn)壓氣機(jī)，按預(yù)期控制目標(biāo)加速到慢車(chē)轉(zhuǎn)速的過(guò)程［7］。這一過(guò)程分3個(gè)階段，即起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火共同帶轉(zhuǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立加速階段。

雙軸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)機(jī)與高壓轉(zhuǎn)子連接。高壓渦輪功率、高壓壓氣機(jī)功率、起動(dòng)機(jī)功率及飛機(jī)提取功率與高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖2所示。

圖1　民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)截面

圖2　各部件功率與高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速關(guān)系

1.1起動(dòng)過(guò)程第1階段

在第1階段，轉(zhuǎn)速由0加速到渦輪開(kāi)始產(chǎn)生功率的轉(zhuǎn)速nH1，發(fā)動(dòng)機(jī)完全由起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)加速。在這個(gè)階段的末尾轉(zhuǎn)速nH1下，起動(dòng)系統(tǒng)向燃燒室供油、點(diǎn)火，燃燒室開(kāi)始工作。這個(gè)階段的功率平衡方程為

式中：Pstarter為起動(dòng)機(jī)功率；Phpc為壓氣機(jī)功率；ηm為高壓轉(zhuǎn)子機(jī)械傳動(dòng)效率；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；nH為高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

1.2起動(dòng)過(guò)程第2階段

在第2階段，燃燒室點(diǎn)火，渦輪開(kāi)始作功到起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)。在這個(gè)階段，起動(dòng)機(jī)與渦輪的扭矩之和驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)加速，渦輪前總溫通常保持最大值Tt4max。當(dāng)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速加速到nHP時(shí)，理論上可以脫開(kāi)轉(zhuǎn)速起動(dòng)機(jī)，但是為了增加可靠性、縮短起動(dòng)時(shí)間，一般到轉(zhuǎn)速nH2時(shí)才脫開(kāi)起動(dòng)機(jī)。功率平衡方程為

1.3起動(dòng)過(guò)程第3階段

在第3階段，由起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速nH2至慢車(chē)轉(zhuǎn)速nHidle，轉(zhuǎn)子加速完全靠渦輪剩余功率。功率平衡方程為

2　起動(dòng)控制規(guī)律設(shè)計(jì)

確定發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)控制規(guī)律主要遵循以下原則：

（1）保證高壓壓氣機(jī)具有一定的喘振裕度；

（2）保證渦輪后溫度不超出規(guī)定限制；

（3）在滿(mǎn)足前2個(gè)要求的同時(shí)，盡量縮短起動(dòng)時(shí)間；

（4）由于起動(dòng)時(shí)不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，因此為滿(mǎn)足起動(dòng)時(shí)空氣流量需要并盡可能降低渦輪后的反壓，噴管喉部面積應(yīng)開(kāi)至最大；

（5）起動(dòng)機(jī)則應(yīng)綜合考慮功率、體積和質(zhì)量等因素［8］。

根據(jù)以上原則本文設(shè)計(jì)了以下起動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3　起動(dòng)控制結(jié)構(gòu)

從圖中可見(jiàn)，線框A中為限制保護(hù)控制模塊，其作用是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振裕度降低到某個(gè)值后削減Tt4cmd指令輸入以使喘振裕度保持在該值以上，否則不起作用。其中，“SM fan限制控制器”為SM fan控制回路的控制器，其余2個(gè)限制控制器同理。線框B為T(mén)t4閉環(huán)回路上的PI控制器，該控制器具有抗積分飽和功能。線框C中為燃油計(jì)算與選擇，包括了4個(gè)模塊：燃油指令限制保護(hù)非線性環(huán)節(jié)模塊，其目的為了使燃油流量處于合適的速率變化范圍內(nèi)，如燃油流量貧油熄火邊界、富油熄火邊界，燃油變化率最小、最大限制；慢車(chē)以上燃油計(jì)算模塊，根據(jù)調(diào)節(jié)計(jì)劃計(jì)算慢車(chē)以上狀態(tài)下的燃油流量；轉(zhuǎn)速間隙（Backlash）保護(hù)模塊，能防止發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)結(jié)束后停留在慢車(chē)狀態(tài)時(shí)，由于轉(zhuǎn)速超調(diào)的原因可能引起的起動(dòng)控制器和慢車(chē)以上控制器之間來(lái)回反復(fù)切換的現(xiàn)象；燃油選擇模塊，通過(guò)選擇邏輯輸出最終的燃油指令值。

3　算例

以雙軸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在Matlab/Simulink為仿真環(huán)境下，按照上述方法設(shè)計(jì)起動(dòng)控制規(guī)律，帶抗積分飽和PI控制器按輸入、輸出數(shù)據(jù)作歸一化處理設(shè)計(jì)，各參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1　起動(dòng)控制各參數(shù)設(shè)計(jì)值

在起動(dòng)過(guò)程中，燃油流量隨時(shí)間變化規(guī)律如圖4所示；中風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)3個(gè)部件的喘振裕度響應(yīng)曲線如圖5所示；Tt4反饋量跟蹤被修正后的指令Tt4trimed以及指令Tt4cmd在起動(dòng)過(guò)程中被修正的過(guò)程如圖6所示；高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖4　起動(dòng)過(guò)程的燃油指令變化規(guī)律

圖5　起動(dòng)過(guò)程中風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)的喘振裕度的響應(yīng)曲線

圖6　起動(dòng)過(guò)程反饋量Tt4sensor跟蹤被修正后的指令Tt4trimed以及指令Tt4cmd被修正的過(guò)程

圖7　起動(dòng)過(guò)程高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

發(fā)動(dòng)機(jī)在第6 s時(shí)開(kāi)始供油點(diǎn)火，并按如圖4所示的供油規(guī)律工作；從圖5中可見(jiàn)，高壓壓氣機(jī)喘振裕度迅速減小，此時(shí)Tt4閉環(huán)回路開(kāi)始工作，渦輪前總溫開(kāi)始跟蹤Tt4trimed，由于前10 s內(nèi)3個(gè)喘振裕度沒(méi)有碰到各自的下限值，所以限制保護(hù)控制器未起作用；從圖6中可見(jiàn)，Tt4cmd=Tt4trimed。在第10 s時(shí)高壓壓氣機(jī)的喘振裕度SM hpc碰到下限值a3（圖5），所以限制保護(hù)控制器開(kāi)始工作，對(duì)指令Tt4cmd進(jìn)行削減或修正（圖6），此時(shí)有Tt4cmd＞Tt4trimed，在第 40～43 s期間，風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)3個(gè)部件的喘振裕度又大于各自的下限，限制保護(hù)控制器沒(méi)有工作，使得Tt4trimed又回到Tt4cmd的值上（圖6）；隨后，低壓壓氣機(jī)的喘振裕度SM lpc碰到下限a2，使得限制保護(hù)控制器再次起作用直到第48 s 時(shí)SM lpc離開(kāi)a2線（圖5）。

在起動(dòng)過(guò)程中風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)3個(gè)部件在壓比流量特性圖上的過(guò)渡過(guò)程如圖8～10所示。從圖中可見(jiàn)，風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)3個(gè)部件的喘振裕度被安全保護(hù)。

圖8　風(fēng)扇特性

圖9　低壓壓氣機(jī)特性　

圖10　高壓壓氣機(jī)特性

在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，利用高壓轉(zhuǎn)子相對(duì)轉(zhuǎn)速nH判斷是否切換到慢車(chē)狀態(tài)，其隨時(shí)間的變化的響應(yīng)情況如圖11所示。由起動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入慢車(chē)狀態(tài)，一般情況下由于控制器的切換會(huì)導(dǎo)致nH有所降低，如果單純使用nH進(jìn)行控制狀態(tài)判斷，容易導(dǎo)致在起動(dòng)過(guò)程與慢車(chē)狀態(tài)間的來(lái)回切換；而設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速間隙保護(hù)（Backlash）模塊，保證進(jìn)入慢車(chē)狀態(tài)后進(jìn)行控制狀態(tài)判斷的nH輸出不會(huì)下降波動(dòng)，避免引發(fā)重新起動(dòng)與轉(zhuǎn)速擺動(dòng)。

圖11　經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速間隙保護(hù)模塊前后的nH對(duì)比

在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，Tt4反饋量與Tt4的修正指令Tt4trimed形成的偏差通過(guò)PI控制器進(jìn)行校正補(bǔ)償，以獲得伺服跟蹤性能，使發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中能夠持續(xù)保持最大剩余功率的狀態(tài)進(jìn)行加速起動(dòng)，從而發(fā)揮其最大潛能，縮短起動(dòng)過(guò)程時(shí)間。另外，如果考慮在不同階段，具有不同的溫度限制以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，可以將溫度限制值設(shè)計(jì)成隨一自變量x變化的函數(shù)，x可以是時(shí)間、高壓換算轉(zhuǎn)速或其他合適的發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)，以達(dá)到權(quán)衡起動(dòng)性能與發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的目的。

4　結(jié)束語(yǔ)

上述仿真結(jié)果表明：

（1）在起動(dòng)過(guò)程中，帶限制保護(hù)控制器的渦輪前總溫閉環(huán)控制律能保證發(fā)動(dòng)機(jī)在不超溫、不喘振的前提下持續(xù)獲得最大剩余功率，從而保證起動(dòng)時(shí)間最短；

（2）本文提出的方法給傳統(tǒng)的按油氣比開(kāi)環(huán)控制和按ndot閉環(huán)控制的起動(dòng)控制律提供了1種獲取輸入指令的途徑。

但是，渦輪前溫度和喘振裕度的測(cè)量問(wèn)題目前尚未解決，需要展開(kāi)相關(guān)技術(shù)研究；本文未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)，包括起動(dòng)機(jī)輔助起動(dòng)和風(fēng)車(chē)起動(dòng)以及貧油、富油熄火限制以及燃燒延遲等因素［2］的限制問(wèn)題，將在下一步研究中進(jìn)行。

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（編輯：趙明菁）

Starting Control Strategy Considering Limit Protection for Turbofan Engine

YIN Kai1，WEI Fang1，ZHANG Rong1，HUANG Liu1，LI Zhi-peng2，4，WANG Xi2，3
（1.AVIC Commercial Aircraft Engine Co.，Ltd.Shanghai，201108 China；2.School of Energy and Power Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；3.Collaborative Innovation Center for Advanced Aero-Engine，Beijing 100191，China；4.AVIC Aviation Motor Control System Institute，Wuxi Jiangsu 214063，China）

Starting control strategy effects turbofan engine performance directly.A methodology of designing start control strategies using closed-loop control law for the total temperature after the primary combustion chamber（Tt4）was proposed in order to persistently obtain the maximum surplus power of high-low pressure twin-spool during a whole starting process for a turbofan engine.Several limit controllers for surge margin are added to the reference command of the Tt4closed loop，taking into account prevention against surge or stall for fan，low-pressure compressor and high-pressure compressor.Freezing the integral of the PI controller before the ignition of an engine is introduced to anti-windup.The simulation result illustrates that turbofan engine can successfully start from engine off to idle power with a persistent maximum surplus power and the protection of several limit controllers，which can guarantee adequate surge margin of compression components and Tt4to not exceed the maximum value.

starting control law；maximum surplus power；limit controller；closed-loop control；aeroengine

V 233.7

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.02.007

2015-05-05

殷鍇（1982），男，博士，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)及健康管理系統(tǒng)研究工作；E-mail：yinkai@tsinghua.org.cn。

引用格式：殷鍇，魏芳，張榮，等.考慮限制保護(hù)的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制技術(shù)［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016，42（2）：34-37.YINKai，WEI Fang，ZHANGRong，et al. Startingcontrolstrategyconsideringlimitprotectionforturbofanengine［J］.Aeroengine，2016，42（2）：34-37.