某型渦軸發動機起動控制規律優化設計及驗證

楊懿松 ，姚 華 ，沙 磊

（1.陸軍航空裝備質量控制辦公室，北京100012；2.中國航發控制系統研究所，江蘇無錫214063）

0 引言

航空發動機的起動過程非常復雜，涉及到控制系統、起動機、點火裝置與發動機各部件之間協同工作。因此，起動控制規律設計是航空發動機控制系統設計的難點之一[1-7]。與渦噴、渦扇發動機相比，渦軸發動機在起動過程中燃油流量需求較少，但精度要求更高[8-13]。例如某型渦軸發動機要求在全溫度包線內起動過程燃油流量偏差在±1 kg/h內，而渦噴、渦扇發動機的要求通常在±10 kg/h以上。在低溫環境下，燃油密度變化、傳感器溫漂、機械部件形變等因素使滿足流量控制要求變得更加困難[14]。

國內某型渦軸發動機采用開環供油和轉速速率閉環供油的組合起動控制規律，在常溫下具有很好的起動性能，但在低溫時由于流量偏差出現多次起動懸掛問題而影響發動機使用。針對該問題，本文提出1種起動控制規律優化設計，增強發動機對起動流量偏差的容忍能力。經過高空臺驗證，起動性能穩定，起動成功率達到100%，可有效解決該型發動機低溫環境下起動懸掛的問題。

2 某型渦軸發動機起動過程及特點

燃氣發生器轉速Ng由靜止狀態提高到地面慢車狀態的過程稱為渦軸發動機起動過程[15]。起動期間要完成控制起動機帶轉、控制器點火裝置點火、燃油系統供油的任務[16]。

某型渦軸發動機采用全權限數字電子控制系統，系統主要由數字電子控制器、液壓機械裝置、傳感器等組成。在起動過程中通過數字電子控制器控制起動機帶轉、點火裝置點火、液壓機械裝置供油。該發動機起動過程如圖1所示。

某型渦軸發動機起動過程主要經歷以下幾個階段：

（1）起動電單獨帶轉階段。數字電子控制器接收到起動指令后控制起動機帶轉，此過程中不供油，直到燃氣渦輪轉速達到Ng1。

（2）開環供油和點火階段。燃氣渦輪轉速達到Ng1后，數字電子控制器根據給定的轉速-燃油流量曲線計算發動機需求流量，并控制液壓機械裝置按需求流量給發動機供油，直到燃氣渦輪轉速達到Ng2；在此過程中，電子控制器控制點火裝置點火。

圖1 某型渦軸發動機起動過程

（3）轉速速率閉環供油階段。燃氣渦輪轉速達到Ng2后，數字電子控制器根據給定轉速速率與反饋轉速速率偏差進行供油調節，直到燃氣渦輪轉速達到Ng3。

（4）轉速閉環控制階段。燃氣渦輪轉速達到Ng3后，數字電子控制器根據給定動力渦輪轉速和反饋動力渦輪轉速的偏差進行供油調節，使動力渦輪轉速達到并穩定在慢車轉速。

3 低溫環境發動機起動懸掛

某型渦軸發動機在低溫環境下出現多次懸掛問題，典型起動懸掛過程如圖2所示。

圖2 典型起動懸掛過程

其現象表現為：

（1）起動機帶轉使燃氣發生器轉速達到Ng1。

（2）全權限數字電子控制系統按給定的燃油需求供油，并控制點火裝置點火。

（3）點火成功后燃氣渦輪出口燃氣溫度T45上升較慢，燃氣發生器轉速上升緩慢，始終未達到Ng2。

（4）起動時間超過要求，起動失敗。

影響發動機起動的主要因素有：

（1）起動機帶轉能力。

（2）點火裝置狀態。

（3）發動機轉子阻力、燃燒室燃燒效率。

（4）供油流量。

經過檢查和試驗驗證，起動機帶轉能力、點火裝置、發動機轉子阻力、燃燒室燃燒效率均正常。在開環供油和點火階段，燃油流量由于低溫補償偏低，導致發動機起動懸掛。

4 起動規律優化設計

起動懸掛均發生在開環供油和點火階段。進入轉速速率閉環階段后，若轉速上升緩慢，閉環控制規律會自動調節燃油流量，使發動機轉速按要求上升，從而避免燃油流量不足導致發動機懸掛，轉速速率閉環控制可有效增強發動機對燃油流量偏差的容忍能力。因此，起動控制規律優化設計思路為：縮短開環供油和點火階段，使發動機快速進入轉速速率閉環階段。

發動機對點火時燃油流量偏差的要求相對較低。經試驗驗證，在流量拉偏5 kg/h的情況下，發動機能成功點火。因此，選擇點火成功作為由開環供油和點火階段進入轉速速率閉環階段的轉換點，選擇以燃氣渦輪出口燃氣溫度T45的變化作為點火成功的判斷條件。

優化后的起動控制規律如圖3所示。

圖3 優化后的起動控制規律

具體設計如下：

（1）起動機獨立帶轉。接收到起動指令后，電子控制器立即發出指令，控制起動機帶轉。

（2）開環供油和點火。燃氣發生器轉速Ng≥Ng1，進入開環供油和點火階段。電子控制器控制點火裝置點火。開環供油即按照需求的流量供油，需考慮環境參數的修正、發動機溫升效應和管路填充，需求流量為

（3）轉速速率閉環階段。燃氣發生器轉速Ng≥Ng2或T45溫升值≥△T45，進入轉速速率閉環階段。該條件在原起動規律基礎上增加燃氣渦輪出口溫度條件，使進入轉速速率閉環階段的時間提前，縮短了開環供油的作用時間。分析多臺發動機正常起動時的轉速速率，將原有轉速速率給定向低轉速延伸，同時考慮環境影響，修正給定速率。轉速速率閉環階段燃油控制式為NgDdem=f（Ng）·f（T1,P1）Wf=f（NgDdem-NgD）

快速進入轉速速率閉環階段，能提高起動控制規律的適應性，但也存在異常時閉環控制導致燃油急劇變化的風險。因此，需對燃油流量進行限制。

在起動初始階段，發動機可能因點火不完全、燃燒效率不足等原因導致Ng上升緩慢，速率不能滿足需求。在這種情況下，轉速速率閉環控制會控制燃油急劇增加，存在發動機超溫的風險。因此燃油高限限制應較為嚴格，這里設置為根據起動供油需求流量上浮

Wfmax=f（Ng）·f（T1，P1，T45）+ΔWfhigh

燃油低限限制的主要作用是防止發動機熄火。燃油低限限制不應影響正常起動，低限既不能過高而抬高供油量，也不能過低而不能起到防止熄火的作用。這里設置為根據填充流量下調，并按環境因素修正

Wfmin=（f（Ng1）-ΔWfhigh）·f（T1，P1）

轉速速率閉環階段最終燃油流量為

Wfout=max（Wfmin，min（Wf，Wfmax））

（4）轉速閉環階段。燃氣發生器轉速Ng≥Ng3，進入轉速閉環階段，控制動力渦輪轉速到給定的慢車轉速，該階段燃油控制式為

5 起動規律驗證

將優化后的起動控制規律用于某型渦軸發動機數控系統，并完成了高空臺驗證。

進行高空臺驗證時，根據發動機的起動包線進行了海平面（地面起動）、海拔3000 m（地面起動、空中再起動）、海拔4500 m（地面起動、空中再起動）、海拔5500 m（空中再起動）試驗驗證。在海平面環境下進行了低溫（-20℃）、常溫（15℃）、高溫（50℃）試驗驗證，并在低溫條件下進行了優化前后起動控制規律的對比試驗。

海平面低溫（-20℃）起動對比試驗得到的試驗曲線如圖4所示。采用優化前的起動控制規律，起動懸掛，試驗曲線如圖4中的“Ng_1”所示；采用優化前的起動控制規律，在原開環供油流量基礎上增加3 kg/h供油，起動成功，試驗曲線如圖4中的“Ng_2”所示；采用優化后的起動控制規律，不增加供油，起動成功，試驗曲線如圖4中“Ng_3”所示。

圖4 海平面低溫起動試驗曲線

從圖中可見，優化后的起動控制規律與優化前的起動控制規律增加供油量后的起動性能相當。優化后的起動控制規律使發動機能夠容忍起動流量偏差，可解決低溫環境下供油偏低導致的起動懸掛問題。

在海平面不同溫度條件下優化后的起動控制規律試驗曲線如圖5所示。在低溫（-20℃）、常溫（15℃）、高溫（50℃）條件下均起動成功，未出現起動懸掛。

圖5 不同溫度條件下的試驗曲線

優化后的起動控制規律在不同高度條件下的地面起動試驗曲線如圖6所示。在海平面、海拔3000、4500 m條件下均起動成功，未出現起動懸掛。

圖6 不同高度條件下的地面起動試驗曲線

優化后的起動控制規律在不同高度條件下的空中再起動試驗曲線如圖7所示。在海拔3000、4500、5500 m條件下均起動成功，未出現起動懸掛。

圖7 不同高度條件下空中再起動試驗曲線

綜合各種環境條件下的試驗情況發現，采用優化的起動控制規律后，發動機均能成功起動，進入轉速速率閉環階段的時間比原規律提前約10 s。

6 結束語

國內某型渦軸發動機采用優化后的起動控制規律，縮短開環供油工作階段，使發動機快速進入轉速速率閉環階段，并且根據發動機情況合理設置起動燃油限制，已經在各種環境下成功起動上百次，起動成功率為100%，未出現起動超溫或起動懸掛，有效解決了該型渦軸發動機在低溫環境下起動懸掛問題。同時由于開環供油段縮短，降低了對數控系統起動燃油控制精度的要求。

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