某間冷燃氣輪機臺架試驗控制系統總體設計方案研究

劉 凱

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

某間冷燃氣輪機臺架試驗控制系統總體設計方案研究

劉 凱

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

為了研究某間冷燃氣輪機的性能，需要研制1套控制系統完成燃氣輪機在臺架上的試車驗證，并視情對燃氣輪機的控制規律及參數進行修改。介紹了某間冷燃氣輪機臺架試驗控制系統總體設計方案，詳細地闡述該系統的組成、功能實現方案及控制邏輯、對燃氣輪機的安全保護及數據監控等方面。描述了此系統的“六性”設計準則、研制風險、關鍵技術等。研究結果表明：該間冷燃氣輪機控制系統的特點結構簡單、原理合理、功能完善、技術成熟、工作安全可靠，證明該系統總體設計方案可行。

間冷燃氣輪機；控制系統；設計方案；航空發動機

0 引言

某航改間冷燃氣輪機是國內首臺間冷型燃氣輪機，是中國在某簡單循環航改燃氣輪機的基礎上，開發的大功率艦用間冷燃氣輪機。為驗證其性能，需研制1套控制系統對臺架上的燃氣輪機進行試車驗證，并視情對燃氣輪機的控制規律及參數進行修改。

國外有大功率艦用間冷燃氣輪機，但由于技術保護等原因，只能接觸有限的外圍技術，而對間冷燃氣輪機控制系統、控制規律及控制關鍵參數等從來沒有相關介紹。國內之前對簡單循環的燃氣輪機控制系統有一定的研制經驗，而對間冷燃氣輪機控制的相關研究一直處于原理及部件試驗狀態，從未進行試車驗證。從控制角度上看其與簡單循環燃氣輪機主要區別是增加了燃氣輪機間冷系統。本文研究的控制系統設計方案的主導思想是從最大限度滿足間冷燃氣輪機的使用要求出發，并考慮設計周期及成熟度，滿足間冷燃氣輪機演示驗證試驗時臺架調試要求。

本文介紹了某間冷燃氣輪機臺架試驗控制系統總體設計方案，對燃氣輪機控制系統的組成、功能實現方案及控制邏輯、燃氣輪機的安全保護、數據監控等方面進行了較為詳細的闡述。對燃氣輪機控制系統的“六性”設計準則、研制風險、關鍵技術等也進行了初步描述。

1 控制系統總體方案

1.1 設計思想

在方案設計中，從最大限度滿足間冷燃氣輪機的使用要求出發，并考慮設計周期及成熟度，突出以下設計思想：（1）繼承以往燃氣輪機控制系統的方案和部件方案，提高技術成熟度；（2）間冷系統控制部分單獨可調，提高控制系統的靈活性；（3）充分消化和吸收間冷系統資料，提高控制系統的可靠性和可實現性。

1.2 方案概述

某間冷燃氣輪機控制系統由電子控制柜、控制軟件、監控系統、起動系統、燃油系統、傳感器和電氣系統等組成，控制原理如圖1所示，其中間冷系統控制原理如圖2所示。

從圖中可見，電子控制柜通過傳感器、開關量及通訊數據接收燃氣輪機狀態信息及指令，由電子控制柜（含控制軟件）按照燃氣輪機調節計劃、控制規律和控制模式計算出所需的主燃油流量、壓氣機可調葉片角度以及相應的電磁閥等開關量信號。電子控制柜輸出信號到燃油調節裝置、導葉調節裝置，給出燃氣輪機狀態的主燃油流量、壓氣機導葉角度，同時通過位移傳感器將信號反饋到電子控制器，構成閉環控制。

控制系統采用單通道、重要參數雙余度的全權限數字電子控制形式。該系統包括2個電子控制器（燃氣輪機控制器和間冷控制器），每個電子控制器各有1個CPU。燃氣輪機控制器實現燃氣輪機除間冷系統以外全部控制和參數限制的功能，間冷控制器實現間冷系統的控制功能和參數監控（包括機上間冷器進口溫度控制和機外間冷系統控制）。2個控制器之間通過RS422總線及以太網絡總線交換信息。重要的控制回路采用雙線圈的雙電液伺服閥，傳感器采用雙余度。

（1）控制系統通過控制線路和以太網絡總線接收來自監控臺的操作命令，對燃氣輪機的起動、加速、減速、穩態工況運行以及停車和重要參數限制實施全面的自動控制和安全保護，能實現對燃氣輪機輔助系統的監測和控制，能實現對燃氣輪機的故障診斷和重要參數的記錄、存儲和通訊。

（2）燃油系統主要由高壓齒輪泵、高壓油濾、燃油控制裝置、低導控制裝置、高導控制裝置、停車開關、燃油分配裝置組成，為燃燒室提供計燃油并控制高、低壓氣機可調導葉角度。燃油系統如圖3所示。

起動系統采用電起動方案，電起動機系統由電機、電機控制器、膜片聯軸器和電源控制盒組成，完成發動機的起動功能的要求，電起動機系統原理如圖4所示。

1.3 控制功能實現方案

間冷燃氣輪機控制系統需要實現油封、啟封、冷吹、清洗和假開車功能、起動控制、壓氣機葉片角控制、放氣控制、燃油流量控制、轉速閉環控制、間冷系統控制、停車控制、消喘控制、安全保護、數據監控等控制功能，其控制功能實現方案如下：

1.3.1 油封、啟封、冷吹、清洗和假開車功能控制方案

油封、啟封、冷吹、清洗和假開車等由起動機帶動壓氣機轉子轉動，燃氣輪機不點火、不供油。

1.3.2 起動控制方案

起動過程由起動機帶動壓氣機轉子轉動，按Wf=f（N2r25）起動供油規律向燃燒室供油；當N2r25達到“設定點火轉速”時進行點火，點火持續“設定點火時間”后停止點火；當N2達到“設定脫開轉速”時，起動機脫開；當N2r25達到慢車轉速，完成起動控制。在起動過程中，根據需要將對高、低壓壓氣機葉片角進行控制，對低壓壓氣機出口進行放氣，并對滑油系統進行控制。

1.3.3 點火系統方案

點火系統采用高能點火方案，由電子控制柜提供工作電源。在燃氣輪機起動過程，當N2r25達到“設定點火轉速”時進行點火，電子控制柜通過開關量輸出，提供點火系統工作電源，點火系統開始工作。點火系統共2套并聯工作，主要包括點火裝置、點火電纜、點火電嘴。

1.3.4 放氣控制

某間冷燃氣輪機在低壓壓氣機出口及動力渦輪過渡段上有高溫大流量燃氣閥安裝于燃氣輪機機匣安裝座上。放氣系統主要由控制閥、放氣閥和地面供氣設備組成。

1.3.5 壓氣機葉片角控制

燃氣輪機按確定的控制規律調節壓氣機可調葉片角度，保證燃氣發生器穩定工作，不發生喘振。根據燃氣發生器轉速和進口溫度的變化規律給出導葉給定值，由電子控制柜通過控制射流管式電液伺服閥（電氣雙余度）對壓氣機葉片角控制作動筒進行位置閉環控制。導葉控制邏輯圖如圖5所示。

1.3.6 燃油流量控制

由燃氣輪機帶動齒輪泵提供高壓油源。壓差活門保證計量活門前后的壓差恒定，使供油流量與計量活門的窗口開度成正比，通過對計量活門的位置控制實現對燃油流量的控制，計量活門的位置用伺服電機進行控制。電子控制柜計算出給定燃油流量，通過對伺服電機的控制實現對計量活門的位置閉環控制，進而實現對燃油流量的控制。

1.3.7 轉速閉環控制

燃氣輪機進入慢車閉環后采用N2r25轉速閉環控制,在慢車以上到達一定轉速轉為N3控制。在燃氣輪機起動前，控制軟件應能根據需要進行配置，選擇燃氣輪機控制模式。可選控制模式：N2r25轉速閉環控制；N3轉速閉環控制。N2r25閉環控制邏輯如圖6所示，N3閉環控制邏輯如圖7所示。

動力渦輪帶動大慣性負載，在轉速N3變化的反應比對供油量變化的反應慢，為避免出現大的轉速超調，在N3轉速控制模塊中應引入負載工況變化的信號，在變化時，根據其變化率提早改變進入燃氣輪機的供油量，減少轉速超調和過渡過程的時間。當負載不變化時，此路補償信號為零。在加減載過程中，軟件根據負載的變化率直接修正供油給定。

1.3.8 間冷系統控制

電子控制器根據燃氣輪機工況對應的低壓壓氣機出口到高壓壓氣機進口空氣的溫度規律，通過控制流量調節閥的開度控制進入機上換熱器的冷卻劑流量從而控制低壓壓氣機出口到高壓壓氣機進口空氣的溫度，同時通過溫度傳感器采集實際溫度信號，構成溫度閉環控制，間冷系統控制邏輯如圖8所示。

1.3.9 停車控制

停車控制分為正常停車、緊急停車、終止起動。（1）正常停車控制

接收到正常停車信號后，退出N3轉速閉環控制，以不大于“設定減速速率”，把N2r25轉速減到慢車轉速。在慢車狀態燃氣輪機冷機3 min。在冷機過程中有“起動按鈕”輸入則終止正常停車控制。冷機完成后，燃油流量控制到最小位置；停車開關斷電，將計量后的燃油切換到低壓回油，此時燃油分配活門關閉切斷燃氣輪機供油，主、副燃油總管中的燃油通過停車放油活門排放到機外。正常停車后進行5 min冷運轉。

（2）緊急停車控制

收到緊急停車指令或報警信號后，停車開關斷電，主、副燃油總管中的燃油通過停車放油活門排放到機外。控制供油到最小位置（若在起動過程，關閉點火器、關閉起動機）。當N2r≤500 r/min時，如無緊急停車信號及故障信息，轉為待機狀態，否則保持緊急停車狀態，顯示不許起動。

（3）終止起動控制

接收到終止起動的信號后，控制供油到最小位置、關閉點火系統、斷開起動機。待接收復位信號后，轉為待機狀態，否則保持緊急停車狀態，不許起動。

1.3.10 消喘控制

當燃氣輪機由于意外進入喘振時，喘振壓差傳感器感受到高壓壓氣機后壓力脈動，并通過喘振信號解調器對信號進行整理判斷，確認燃氣輪機喘振后通過開關量信號通知電子控制柜。電子控制柜收到喘振信號后通過調整壓氣機葉片角度、切斷燃油供給、低壓壓氣機出口及動力渦輪前放氣等方法使燃氣輪機消喘，在消喘過程中還要進行點火以防止發動機熄火。

1.3.11 安全保護

系統的故障可分為控制器故障、傳感器故障、執行機構故障、燃氣輪機故障等幾類。對不同的故障根據其對燃氣輪機安全的影響，采取不同的處理措施。

故障可分為I級報警（告警）、II級報警（燃氣輪機降至慢車）、III級報警（緊急停車）等措施。

1.3.12 數據監控

監控軟件對控制器上傳的數據進行顯示、判斷、儲存等處理。通過軟件可對燃氣輪機的工作狀態進行控制，對各監測的系統采用圖文動化顯示。根據故障信息通過信號燈或其他方式顯示故障位置。

2 系統六性設計

2.1 可靠性設計

（1）關鍵部件采用余度設計；

（2）滿足設計要求的條件下，貫徹簡化優化設計的原則，盡量減少零部件（元器件）的數量和種類。

2.2 測試性設計

發動機在停車狀態情況下，給控制系統上電，通過控制器自檢測開關控制，進行系統的自檢測。自檢狀態結束后，可通過通訊接口與外圍設備進行通訊。

2.3 安全性設計

（1）對故障進行檢測、管理和自動報警；

（2）具有容錯功能；

（3）控制系統的設計和構造保證不會由于控制系統的單個失效或故障，或可能發生的組合故障，而導致燃氣輪機不安全狀態的發生；

2.4 維修性設計

根據指標要求，開展控制系統的維修性設計工作，并遵守如下設計準則：

（1）所有電氣接頭和管接頭均應有明顯的規定記號，管接頭的數量應最少，電氣接頭應有防錯設計；

（2）傳感器的安裝方式要簡便，容易標定；

（3）系統各部件、模塊應具有互換性，任何組件、部件、模塊更換時應考慮方便、省時和快捷；

2.5 綜合保障性設計

數控系統在設計中需滿足如下保障性設計要求：

（1）實行通用化、系統列化、組合化；

（2）設計要考慮盡可能降低對使用和維修人員及技術等的需求；

（3）在設計中考慮系統配套綜合保障設備的設計與使用。

2.6 環境適應性設計

（1）燃油系統設計滿足要求，當溫度低時要求選用滿足相應溫度的燃油；

（2）電子控制模塊工作可以滿足0～60℃工作，可以滿足臺架試車需求；電控系統其他附件滿足環境要求。

3 風險分析

由于此項目研制周期較短，燃氣輪機對控制系統的技術指標要求與以往燃氣輪機項目新增很多技術要求，一些關鍵技術還需要解決，這些都為控制系統的研制帶來一定的風險。針對控制系統的研制中存在的風險進行分析，以期在今后的研制過程中，相應地加強技術攻關力度，將系統風險降到最低。

3.1 系統研制風險

結合系統方案分析和關鍵技術的識別，風險在數控系統研制中主要與以下幾個方面關聯：

（1）燃氣輪機數學模型

主機無法提供燃氣輪機數學模型和必要的數據，造成數學模型與燃氣輪機特性不一致，仿真驗證效果與真實試車存在一定的差距，數控系統的設計和驗證存在一定風險。

（2）需求的不確定性

燃氣輪機對控制系統的部分技術要求沒有明確，部分技術要求尚在待定中，在項目研制過程中，需求的更改可能對系統研制造成一定的影響。

3.2 研制風險分析

（1）燃氣輪機數學模型

加強與總體部門溝通和協調，讓其提供數學模型或提供真實必要的數據進行修模，保證半物理仿真和真實試車的一致性；

（2）對于需求的不確定性問題

積極與總體部門溝通與協調，盡快消除需求的不確定性；

3.3 風險分析結論

綜合以上分析，控制系統的研制風險是可控的。

4 關鍵技術及解決途徑

為滿足某間冷燃氣輪機對控制系統的要求，在進行控制系統的設計時，應著重解決好關鍵技術——間冷控制。

對于間冷控制關鍵技術，可以通過與國內各相關單位的合作，攻克研制過程中的難題。

5 可行性分析

在控制系統中大部分附件為其他型號燃氣輪機及航空發動機控制系統使用的附件或在其基礎上改進的附件，有很好的技術基礎。間冷系統控制部分為新研部件，經前期試驗驗證，其控制特性滿足總體要求。

對于燃氣輪機慢車以上的狀態，經采用MATLAB進行數值仿真，其控制規律及控制特性滿足總體要求；對于慢車及以下特性，由于缺乏相應發動機數學模型，因此，未對其進行仿真，結合其他型號研制經驗分析，認為其特性可以滿足總體要求。

6 結束語

燃氣輪機數控制系統經過幾十年的研發，已取得了一定的成果，該方案盡量繼承燃氣輪機數控制系統的成熟技術、部件和產品，保證了該系統方案具有一定的繼承性。該系統中的關鍵元件采用雙余度設計，提高了系統功能的可靠性。綜上所述，某間冷燃氣輪機控制系統具有結構簡單、原理合理、功能完備、技術成熟、工作安全可靠等優點，最終確定該系統方案可行。

[1]李孝堂.現代燃氣輪機技術[M].北京：航空工業出版社，2006：1-5.LI Xiaotang.Modern gas turbine technology [M].Beijing：Aviation Industry Press，2006：1-5.（in Chinese）

[2]梁春華.間冷回熱循環艦船用燃氣輪機WR-21的技術特點[J].航空發動機,2007,33（1）:55-58,41.LIANG Chunhua.Technological feature of the WR-21 marine intercooled recuperated gas turbine[J].Aeroengine,2007,33（1）:55-58,41.（in Chinese）

[3]李淑英，王志濤，王建清，等.船用間冷循環燃氣輪機供油規律仿真研究[J].船舶工程,2010,32（5）:15-18.LI Shuying,WANG Zhitao,WANG Jianqing,et al.Simulation study on fuel supply rate curve of marine inter-cooled gas turbine[J].Ship Engineering,2010,32（5）:15-18.（in Chinese）

[4]薛銀春，孫建國.燃氣輪機控制技術綜述[J].航空動力學報，2005，20（6）：1066-1071.XUE Yinchun，SUN Jianguo.A survey of gas turbine control technique[J].Journal of Aerospace Power，2005，20（6）：1066-1071.（in Chinese）

[5]劉尚明，何皚.重型燃氣輪機控制發展趨勢及未來關機技術[J].熱力透平，2013，42（4）：217-224.LIU Shangming，HE Ai.Development trend of heavy-duty gas turbine control technology [J].Thermal Turbine，2013，42 （4）：217-224.（in Chinese）

[6]姚華.未來航空發動機控制技術的發展趨勢 [J].航空科學技術，2012（6）：1-6．YAO Hua.Development trend of aircraft engine control technology[J].Aeronautical Science Technology，2012（6）：1-6．（in Chinese）

[7]張建生，呂欣榮.淺談燃氣輪機的控制[J].節能，2000（3）：9-12.ZHANG Jiansheng，LYU Xinrong.Primary analysis on gas turbine control[J].Energy Conservation，2000（3）：9-12.（in Chinese）

[8]吳石賢.燃氣輪機控制系統概況[J].發電設備，2003（2）：56-58.WU Shixian.Control systems of gas turbine [J].Power Equipment，2003（2）：56-58.（in Chinese）

[9]張仁興.艦船燃氣輪機電子控制柜設計特點的分析 [J].熱能動力工程，2001，16（2）：165-167.ZHANG Renxing.An analysis of the design features of an electronic control console for a naval gas turbine[J].Thermal Power Engineering，2001，16（2）：165-167.（in Chinese）

[10]樊思齊.航空發動機控制（下冊）[M].西安：西北工業大學出版社，2008：477-500.FAN Siqi.Aeroengine control（partⅡ） [M].Xi'an:Northwestern Polytechnical University Press,2008：477-500.（in Chinese）

[11]孫建國，黃金泉，葉志峰.現代航空動力裝置控制[M].北京：航空工業出版社，2009：6-12.SUN Jianguo,HUANG Jinquan,YE Zhifeng.Modern aviation power plant control[M].Beijing:Aviation Industry Press,2009：6-12.（in Chinese）

[12]姚華.航空發動機全權限數字電子控制系統[M].北京：航空工業出 版社，2014：71-92.YAO Hua.Full authority digital electronic control system for aeroengine [M].Beijing:Aviation Industry Press,2014：71-92.（in Chinese）

[13]廉筱純，吳虎.航空發動機原理[M].西安：西北工業大學出版社，2005：311-325.LIAN Xiaochun,WU Hu.Principle of aeroengine[M].Xi'an:Northwestern Polytechnical University Press,2005：311-325.（in Chinese）

[14]劉尚明，何皚.重型燃氣輪機控制發展趨勢及未來關機技術[J].熱力透平，2013，42（4）：217-224.LIU Shangming，HE Ai.Development trend of heavy-duty gas turbine control technology [J].Thermal Turbine，2013，42（4）：217-224.（in Chinese）

[15]張建生,呂欣榮.淺談燃氣輪機的控制[J].節能，2000（3）：9-12.ZHANG Jiansheng，LYU Xinrong.Primary analysis on gas turbine control[J].Energy Conservation，2000（3）：9-12.（in Chinese）

Research on Overall Design Scheme of Control System of Test Bed Experimental for a Intercooled Gas Turbine

LIU Kai
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China）

In order to investigate a intercooled gas turbine performance,a control system was developed to complete experimental validation of gas turbine on the test,and the system control law and main parameters could be modified according to working condition.The overall control design scheme of the test bed was introduced for a intercooled gas turbine,and system components,realization scheme,control logic,safety protect and data controlling of gas turbine control function are expatiated.Moreover,the six performance design,the development risk and the main technology are also expatiated.The results show that the control system of the intercooled gas turbine has the characteristic of simple structure,reasonable principle,general function,mature technology,working safety and feasible system plan.

intercooled gas turbine;control system;design scheme;aeroengine

V 323

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.05.009

2017-03-29 基金項目：燃氣輪機研究項目資助

劉凱（1974），男，高級工程師，從事航空發動機和燃氣輪機控制系統設計工作；E-mail:18642093785@163.com。

劉凱.某間冷燃氣輪機臺架試驗控制系統總體設計方案研究[J].航空發動機，2017，43（5）：48-53.LIU Kai.Research on overall design scheme of control system of test bed experimental for a intercooled gas turbine[J].Aeroengine，2017，43（5）：48-53.

（編輯：張寶玲）