考虑限制保护的航空发动机起动控制技术

殷　锴，魏　芳，张　荣，黄　浏，李志鹏，王　曦

（1.中航商用航空发动机有限责任公司，上海201108；2.北京航空航天大学能源与动力工程学院，3.先进航空发动机协同创新中心，北京100191；4.中航工业航空动力控制系统研究所，江苏无锡214063）

考虑限制保护的航空发动机起动控制技术

殷锴1，魏芳1，张荣1，黄浏1，李志鹏2，4，王曦2，3

（1.中航商用航空发动机有限责任公司，上海201108；2.北京航空航天大学能源与动力工程学院，3.先进航空发动机协同创新中心，北京100191；4.中航工业航空动力控制系统研究所，江苏无锡214063）

涡扇发动机起动控制方法直接影响发动机的起动性能。为在发动机整个起动过程中持续获得高、低压转子转轴上的最大剩余功率，提出了1种涡轮前总温Tt4闭环控制规律用于设计涡扇发动机起动控制的方法。对于起动过程中可能发生的风扇、低压压气机、高压压气机喘振和失速问题，在设计的Tt4闭环回路前加入喘振裕度限制保护控制，并考虑到在起动过程的第1阶段中在起动机带转到发动机点火前Tt4回路不起作用的特点，对Tt4回路设计了积分冻结逻辑。仿真结果表明：在满足给定喘振裕度和涡轮前总温不超温的条件下，涡轮前总温Tt4闭环控制方法能够以持续的最大剩余功率使发动机从静止状态起动到慢车功率状态。

起动控制规律；最大剩余功率；限制保护控制器；闭环控制；航空发动机

0　引言

航空发动机起动控制规律主要分2种：1种是按油气比或油随时间或转速变化的开环控制方案［1-4］；另1种是ndot转子加速度闭环控制规律［4］。无论哪种方案，都要在发动机起动过程中保证发动机不会喘振和超温，工程上一般通过试验方法来确定［1］。

本文针对带限制保护控制器［5］的Tt4闭环控制规律设计问题，以双轴涡扇发动机为研究对象，首先基于部件级模型对发动机低转速部件特性进行了外推［6］，然后对模型进行适当修正，以此作为数字仿真平台，对所提出的算法进行了数字仿真验证。

1　起动过程

涡扇发动机系统气动截面如图1所示。

航空发动机起动过程是在通过起动机带转，使发动机的转速从0转速加速到燃烧室可点燃的转速，使燃气涡轮作功带转压气机，按预期控制目标加速到慢车转速的过程［7］。这一过程分3个阶段，即起动机带转、发动机点火共同带转和发动机独立加速阶段。

双轴涡扇发动机的起动机与高压转子连接。高压涡轮功率、高压压气机功率、起动机功率及飞机提取功率与高压转子换算转速的关系如图2所示。

图1　民用涡扇发动机气动截面

图2　各部件功率与高压转子换算转速关系

1.1起动过程第1阶段

在第1阶段，转速由0加速到涡轮开始产生功率的转速nH1，发动机完全由起动机带动加速。在这个阶段的末尾转速nH1下，起动系统向燃烧室供油、点火，燃烧室开始工作。这个阶段的功率平衡方程为

式中：Pstarter为起动机功率；Phpc为压气机功率；ηm为高压转子机械传动效率；J为转动惯量；nH为高压转子转速。

1.2起动过程第2阶段

在第2阶段，燃烧室点火，涡轮开始作功到起动机脱开。在这个阶段，起动机与涡轮的扭矩之和驱动发动机加速，涡轮前总温通常保持最大值Tt4max。当高压转子转速加速到nHP时，理论上可以脱开转速起动机，但是为了增加可靠性、缩短起动时间，一般到转速nH2时才脱开起动机。功率平衡方程为

1.3起动过程第3阶段

在第3阶段，由起动机脱开转速nH2至慢车转速nHidle，转子加速完全靠涡轮剩余功率。功率平衡方程为

2　起动控制规律设计

确定发动机起动时控制规律主要遵循以下原则：

（1）保证高压压气机具有一定的喘振裕度；

（2）保证涡轮后温度不超出规定限制；

（3）在满足前2个要求的同时，尽量缩短起动时间；

（4）由于起动时不考虑发动机的推力，因此为满足起动时空气流量需要并尽可能降低涡轮后的反压，喷管喉部面积应开至最大；

（5）起动机则应综合考虑功率、体积和质量等因素［8］。

根据以上原则本文设计了以下起动控制结构，如图3所示。

图3　起动控制结构

从图中可见，线框A中为限制保护控制模块，其作用是当发动机喘振裕度降低到某个值后削减Tt4cmd指令输入以使喘振裕度保持在该值以上，否则不起作用。其中，“SM fan限制控制器”为SM fan控制回路的控制器，其余2个限制控制器同理。线框B为Tt4闭环回路上的PI控制器，该控制器具有抗积分饱和功能。线框C中为燃油计算与选择，包括了4个模块：燃油指令限制保护非线性环节模块，其目的为了使燃油流量处于合适的速率变化范围内，如燃油流量贫油熄火边界、富油熄火边界，燃油变化率最小、最大限制；慢车以上燃油计算模块，根据调节计划计算慢车以上状态下的燃油流量；转速间隙（Backlash）保护模块，能防止发动机在起动结束后停留在慢车状态时，由于转速超调的原因可能引起的起动控制器和慢车以上控制器之间来回反复切换的现象；燃油选择模块，通过选择逻辑输出最终的燃油指令值。

3　算例

以双轴涡扇发动机为例，在Matlab/Simulink为仿真环境下，按照上述方法设计起动控制规律，带抗积分饱和PI控制器按输入、输出数据作归一化处理设计，各参数取值见表1。

表1　起动控制各参数设计值

在起动过程中，燃油流量随时间变化规律如图4所示；中风扇、低压压气机、高压压气机3个部件的喘振裕度响应曲线如图5所示；Tt4反馈量跟踪被修正后的指令Tt4trimed以及指令Tt4cmd在起动过程中被修正的过程如图6所示；高、低压转子转速响应曲线如图7所示。

图4　起动过程的燃油指令变化规律

图5　起动过程中风扇、低压压气机、高压压气机的喘振裕度的响应曲线

图6　起动过程反馈量Tt4sensor跟踪被修正后的指令Tt4trimed以及指令Tt4cmd被修正的过程

图7　起动过程高、低压转子转速响应曲线

发动机在第6 s时开始供油点火，并按如图4所示的供油规律工作；从图5中可见，高压压气机喘振裕度迅速减小，此时Tt4闭环回路开始工作，涡轮前总温开始跟踪Tt4trimed，由于前10 s内3个喘振裕度没有碰到各自的下限值，所以限制保护控制器未起作用；从图6中可见，Tt4cmd=Tt4trimed。在第10 s时高压压气机的喘振裕度SM hpc碰到下限值a3（图5），所以限制保护控制器开始工作，对指令Tt4cmd进行削减或修正（图6），此时有Tt4cmd＞Tt4trimed，在第 40～43 s期间，风扇、低压压气机、高压压气机3个部件的喘振裕度又大于各自的下限，限制保护控制器没有工作，使得Tt4trimed又回到Tt4cmd的值上（图6）；随后，低压压气机的喘振裕度SM lpc碰到下限a2，使得限制保护控制器再次起作用直到第48 s 时SM lpc离开a2线（图5）。

在起动过程中风扇、低压压气机、高压压气机3个部件在压比流量特性图上的过渡过程如图8～10所示。从图中可见，风扇、低压压气机、高压压气机3个部件的喘振裕度被安全保护。

图8　风扇特性

图9　低压压气机特性　

图10　高压压气机特性

在发动机起动过程中，利用高压转子相对转速nH判断是否切换到慢车状态，其随时间的变化的响应情况如图11所示。由起动状态进入慢车状态，一般情况下由于控制器的切换会导致nH有所降低，如果单纯使用nH进行控制状态判断，容易导致在起动过程与慢车状态间的来回切换；而设计转速间隙保护（Backlash）模块，保证进入慢车状态后进行控制状态判断的nH输出不会下降波动，避免引发重新起动与转速摆动。

图11　经过转速间隙保护模块前后的nH对比

在整个起动过程中，Tt4反馈量与Tt4的修正指令Tt4trimed形成的偏差通过PI控制器进行校正补偿，以获得伺服跟踪性能，使发动机在起动过程中能够持续保持最大剩余功率的状态进行加速起动，从而发挥其最大潜能，缩短起动过程时间。另外，如果考虑在不同阶段，具有不同的温度限制以延长发动机寿命，可以将温度限制值设计成随一自变量x变化的函数，x可以是时间、高压换算转速或其他合适的发动机工作参数，以达到权衡起动性能与发动机寿命的目的。

4　结束语

上述仿真结果表明：

（1）在起动过程中，带限制保护控制器的涡轮前总温闭环控制律能保证发动机在不超温、不喘振的前提下持续获得最大剩余功率，从而保证起动时间最短；

（2）本文提出的方法给传统的按油气比开环控制和按ndot闭环控制的起动控制律提供了1种获取输入指令的途径。

但是，涡轮前温度和喘振裕度的测量问题目前尚未解决，需要展开相关技术研究；本文未考虑发动机空中起动，包括起动机辅助起动和风车起动以及贫油、富油熄火限制以及燃烧延迟等因素［2］的限制问题，将在下一步研究中进行。

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（编辑：赵明菁）

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

殷锴（1982），男，博士，从事航空发动机控制系统及健康管理系统研究工作；E-mail：yinkai@tsinghua.org.cn。

引用格式：殷锴，魏芳，张荣，等.考虑限制保护的发动机起动控制技术［J］.航空发动机，2016，42（2）：34-37.YINKai，WEI Fang，ZHANGRong，et al. Startingcontrolstrategyconsideringlimitprotectionforturbofanengine［J］.Aeroengine，2016，42（2）：34-37.