涡轴发动机自适应起动控制规律改进

王旭 邹黎 刘梦妮

摘 要：起动性能是航空发动机的一项非常重要的性能指标。但是起动过程是一个典型的非线性变化过程，影响因素众多，很难精确计算和控制，根据发动机工作状态确定起动过程的供油规律一直是人们重点研究的课题。而随着发动机控制系统快速发展，全权限数控系统在发动机上的应用，为起动过程的控制带来便利。在燃油控制系统研究中，解析了起动油量控制的原理，提出两种控制方法，并通过工程研制过程中的试验验证逐步改进，将两种控制方法融合为一种方法。

关键词：涡轴发动机;全权限数控系统;起动规律优化

中图分类号：V233 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0136-03

起动系统是航空发动机重要的系统之一，起动性能是航空发动机的一项非常重要的性能指标。起动过程涉及高速转动、热力燃烧、瞬态气动、机械传动、自动控制等多方面因素，各方面非线性耦合相互影响，使得起动过程非常复杂，很难精确计算和控制。

20世纪90年代以前，涡轴发动机的起动主要依靠机械液压和少量的电子监控，因此起动包线较窄，往往在冬季和夏季采用不同的起动供油规律，给机务人员带来大量的维护工作量。而且这种起动方法可靠性较低，非常依赖直升机飞行员个人使用经验[1]。

随着发动机技术的发展，现在开始大规模采用全权限数字式电子控制系统来控制起动过程[2-3]。相比传统的机械液压式控制系统，全权限数字式电子控制系统的最大优势是可以根据采集的外部环境和发动机状态参数，通过计算和分析，自动控制起动系统相关部件，改善起动性能。当发动机特性改变时，可通过起动规律自适应设计，在一定范围内弥补特性改变导致的起动性能衰减，因此起动控制规律是全权限数字式电子控制系统能否发挥优势的关键所在。

1起动供油给定原理分析

航空发动机原理的本质是将燃油和空气混合后燃烧产生热能，再由涡轮将热能转化为机械能。因此航空发动机最基礎和重要的控制手段就是燃油流量，在起动阶段更是如此。起动供油规律一般按以下原理给定：

（1）等余气系数。根据燃烧原理[4]，为保证燃烧室的稳定性，不进入富油边界和贫油边界，必须使余气系数α维持在一定范围内，甚至保持不变。因此当燃烧室进口空气流量Wa变化时，燃油供油量Wf也需要随之变化：

在目前的涡轴发动机实际工程应用中，当发动机装直升机后，燃烧室进口流量较难测量或计算，因此一般不使用上式进行控制。

（2）根据燃气发生器转速ng和压气机出口总压P3控制油量。在起动过程中，当外界条件和发动机构型不变时，起动过程中燃烧室进口空气流量可视为燃气发生器转速ng或者压气机出口总压P3的单调递增函数，这两个参数较为容易测量，因此可根据和ng和P3的插值函数来控制Wf：

但由于起动过程中压气机特性在此状态下偏差较大，因此燃油流量与燃气发生器转速ng和压气机出口总压P3之间的具体关系式需要根据起动试验来进行修正。

（3）大气条件的修正。大气温度和大气压力对起动有较大的影响[5]，因此还必须根据大气温度和大气压力来对动燃油流量进行修正，以保证合适的油气比和抵消环境对起动的不利影响。

根据发动机相似换算原理：

式中π为当前大气压力与标准大气压力的比值，θ为当前大气温度与标准大气温度的比值。

为保持在任何大气条件下，余气系数α一致，燃油流量必须满足以下公式：

但是上式只考虑了油气比和气动载荷对起动的影响，没有考虑低温下起动机械阻力矩急剧增加的影响，也没有考虑高空条件，压力的大幅变化导致换算误差增大的影响。

因此为提高边界条件下的起动性能，一般需增加额外的温度和压力修正，因此典型的涡轴发动机供油修正为：

式中Kp为压力修正系数，Kt为温度修正系数。

2起动供油控制方法

2.1基础起动供油方法

目前起动油量控制工程应用主要有两种方法，除了根据 ng转速来计算给定燃油量供油的方法外，还可以根据起动时间需求以ng加速度作为控制变量进行供油：

（1）根据ng转速给定燃油油量。根据余气系数α和工程经验计算得出标准大气条件下起动供油燃油流量。

非标准大气条件下的燃油流量Wf和ng转速的关系后根据大气条件来修正。

（2）给定ng转速加速度控制。给定加速度的方法和给定燃油流量控制原理基本一致，只是在燃油流量和ng转速的关系式中增加加速度小闭环：

首先根据标准条件下ng起动至地面慢车的时间要求，计算出起动过程中平均ng转速加速度。由于在整个起动过程中起动速度是逐步增加的，因此一般将起动初期的ng转速加速度减小，起动后期的ng转速加速度增加，保持总的起动时间不变。

在起动过程中数控系统按给定的的ng加速度进行供油，如当前ng转速对应的ng加速度小于预定加速度便增加油量，反之减少。

2.2分阶段供油方法

两种起动油量控制在工程应用上各有优点和缺点，具体分析见表1。

由于两种起动供油方法都存在明显的缺点，因此为得到较好的起动性能，可采取分阶段控制，在不同的阶段采用不同的控制方式：

（1）起动初始阶段。在起动初始阶段（起动电机开始带转→ng转速超过ng平衡）采用给定燃油油量控制。在起动初期，起动性能主要取决于起动电机的带动，环境条件对起动的影响在此阶段较小，采用燃油给定控制的修正参数的精确度可适当降低。

在起动初期，起动电机性能变化较大时，采用给定加速度控制有可能导致超温或悬挂。

（2）第二阶段。在起动后期采用给定加速度控制（ng转速超过ng平衡→慢车状态）。因为采用给定加速度控制对环境温度和发动机特性变化均有较好的适应性，很容易确定修正系数。

采用此种分阶段的控制方法，可保障在全包线范围内起动顺利起动。通过大量的试验验证表明，采用分阶段的控制方法，在高度范围0m～5500m，温度范围-20℃～50℃的包线内，不需要修改任何软件和硬件，均可顺利的起动至地面慢车。

3分段式起动控制方法改进

3.1分段式起动控制故障

分阶段起动供油控制方法虽然能较好的解决起动问题，但是由于起动初始阶段采用单一的给定燃油控制，如果发动机自身特性的改变，这种控制方法无法自适应[6-7]。

在发动机研制阶段可通过严格的加工质量和繁杂的出厂验收手段来保障起动的成功率。但是当发动机进入大批量生产时，过于严格的起动控制系统的加工精度和出厂验收要求为生产成本带来巨大的压力，使产品的使用性降低。

影响起动性能的发动机自身特性主要有：（1）各部件效率;（2）涡轮导向器面积;（3）可调压气机导叶;（4）压气机级间放气;（5）燃油泵特性;（6）起动机特性。

某型涡轴发动机在采用分阶段的起动供油控制方法的外场批产使用过程中，由于燃油泵特性出现变化，在大气温度低于-5℃时，出现发动机起动悬挂现象。

通过排故定位，故障原因是由于数控系统中燃油泵调节器的温度补偿片在低温天过度补偿导致，其原理如下：

燃油泵调节器的压差活门内部设置有6片温度补偿片，如图1所示，温度补偿片的材料为双金属片，其工作原理是通过感受燃油温度的变化发生形变（膨胀或收缩），使压差活门弹簧伸缩，进而改变计量活门前后的燃油压力差，以补偿燃油密度随温度变化对计量燃油质量流量的影响。

当燃油温度升高时，燃油密度降低，导致质量流量减少，此时，温度补偿片膨胀，使弹簧压缩，则计量活门供油型孔前后的燃油压力差增大，对于同一计量活门开度，计量燃油的容积流量增加，保证供给发动机的燃油质量流量基本不變。

但是，如果温度补偿片设置不合理，或因材料缺陷、加工尺寸等问题导致自身的温度形变特性异常，则会使其在温度变化时变形较大或较小，导致流量过补偿或欠补偿。

当大气温度较低时，控制系统给出的实际燃油流量远远低于需求燃油流量，导致起动悬挂，具体情况见图2。

通过上述分析，表明当发动机本身的起动特性产生变化超过一定范围时，分阶段的起动控油方法不能完全消除不利影响，需要依靠严格的出厂检验保障发动机特性变化在一定范围内。

3.2起动控制自适应方法改进

为进一步提升起动控制规律对方剂特性变化的自适应能力，参考模糊控制原理对起动控制方法可实施优化改进。

在起动的初始阶段可以采用以给定燃油为标定基础，以ng加速度为主变量进行控制，将余气系数作为限制的复合性控制方法，控制示意图见图3。

对复合性控制方法简化举例说明如下：

当ng转速为20%时，数控系统以恒定加速度X（r/min/s）进行控制，而给定燃油限制值的基准为Y（kg/h）。

（1）当前加速度

（2）当前加速度>X（r/min/s），减少起动供油量，但最多不超过Y-Z（kg/h）。

其中Z的上限值需根据发动机喘振边界和燃气涡轮进口温度限制，避免起动超温和喘振;Z的下限值需考虑燃烧室熄火边界和起动时间的限制，避免起动熄火或起动超时。

3.3改进效果

这种复合性控制方法能有效改进起动性能，能有效弥补由于发动机自身特性变化导致的起动性能改变，如起动电机特性变化导致超温或悬挂的问题，控制系统温漂等问题。

在某型涡轴发动机上开展了复合性起动控制方法低温下的起动验证，起动对比曲线见图3。

由图4曲线可看到，即使在低温下燃油泵调节器过补偿了7kg/h油量，但是通过复合性控制的补充，起动成功，其ng和T4.5上升趋势和直接增加燃油流量基本一致。说明复合性控制方法能很好的适应环境的改变，也能自适应发动机特性的改变，而且不需要针对所有环境进行出厂试验校核，极大的降低了发动机生产成本。

4结论

（1）在燃油控制系统研究中，根据ng转速给定燃油油量和根据给定ng转速加速度控制，两种方法均存在缺陷。

（2）通过分阶段控制的燃油控制方法，可在一定程度上弥补两种起动燃油控制方法的缺点。但是无法自适应发动机控制系统自身特性的改变，需要通过发动机出厂检验来保障发动机控制系统特性变化。

（3）采用复合性控制方法，可有效自适应发动机控制系统和自身特性的改变，而且不需要针对所有环境进行出厂试验校核，简化了出厂验收流程，降低了发动机生产成本。

参考文献

[1] 韩殿武.涡轴8型发动机起动过程中排气温度的控制[C].国防科技会议，2002.

[2] 胡晓煜.世界中小型航空发动机手册[M].北京：北京航空工业出版社，1987.

[3] 樊思齐.航空发动机控制[M].哈尔滨：西北工业大学出版社，2008.

[4] 何小民.航空发动机燃烧和燃烧室[M].南京：南京航空航天大学，2009.

[5] 王月贵.小高空台高空模拟试验调试[J].燃气涡轮试验与研究，2005，18（3）：48-58.

[6] 蔡建兵.燃油喷嘴喷口积碳对发动机起动性能的影响研究[R].株洲：中航工业航空动力机械研究所，2013.

[7] 张伟.某涡轴发动机起动过程模拟及分析研究[D].南京：南京航空航天大学，2009.