一種基于余溫的航空發動機起動控制規律優化方法研究

文/羅浪 韓同輝

1 引言

航空發動機起動過程的性能好壞是發動機的重要指標之一，其基本要求是應能夠在設計包線內，在給定的時間內按照一定的起動控制規律點火并加速發動機至慢車工作狀態，同時保證起動過程中不出現超溫、喘振等問題，在此前提下，盡可能縮短發動機起動時間、降低起動過程的燃氣渦輪出口溫度。在實際的發動機工作過程中，其起動性能的影響因素除了部件效率，噴嘴特性等發動機本體特性之外，還包括起動控制規律、大氣溫度和壓力、發動機的冷熱機狀態等外部條件。

本文基于實際試驗數據對某型渦軸發動機起動性能的受發動機余溫的影響進行了分析，基于分析結果對發動機起動控制參數進行了優化改進，并對改進后的效果進行了試驗驗證

2 起動過程描述

該渦軸發動機起動過程采用全權限數字電子控制系統，使用電機輔助起動的方式起動，電機、點火裝置的接通和斷開由電子控制器控制完成。

發動機的起動過程，可分為3個階段：

階段1：電機帶轉段，電子控制器接收到起動指令后接通起發電機和點火裝置（接通時間超過限制值后斷開）。當達到一定轉速后進入下一階段；

階段2：開環控制段，開始根據當前轉速下的給定燃油流量控制燃油供給，發動機點火，燃氣渦輪出口溫度T45的溫升超過判定閥值后進入下一階段；

階段3：轉速加速率閉環段，控制系統按照給定和實際轉速加速率差值計算需要供給的燃油量，使發動機轉速盡可能按照給定的轉速加速率上升至慢車狀態。

圖1：低溫起動過程對比

在發動機的起動過程中，導葉位置維持不變，階段2控制系統給定燃油流量Wf以及階段3給定轉速加速率ND，均是在地面標準天給定值的基礎上基于大氣溫度Tt1、大氣壓力Pt1進行修正。

通過參數修正，發動機控制規律能夠適應飛行包線內各種大氣條件下的起動。但該控制規律下Wf和ND的計算未考慮發動機余溫的影響，因此仍不能滿足部分條件尤其是低溫天和熱機條件發動機起動要求。

3 存在的問題及分析

3.1 低溫天起動(黑體，5號)

發動機的起動過程中燃氣發生器轉子的力矩平衡關系可用下式表示：

其中，Je為燃氣發生器轉子的轉動慣量，Mgas為燃氣渦輪做功產生的力矩，Mstart為起動電機經中央傳動軸傳遞到燃氣渦輪轉子上的等效力矩，Mcp、Ms為壓氣機、發動機轉動附件的負載力矩，MT為發動機軸承等處的機械阻力矩。

在低溫天起動時，在同一大氣溫度、壓力條件下，發動機機體余溫以及燃/滑油溫度等與其冷置的時間成反比，冷置的時間越長，各部件以及燃/滑油溫度也會越低，各摩擦副產生的阻力矩Ms，MT將上升，將引起發動機加速性顯著降低。尤其是在高空以及超低溫(大氣溫度低于-20℃)條件下，點火、聯焰能力不足，電機帶轉時間不夠，燃油黏度升高導致流量誤差增大等因素影響，發動機起動性能原本較差，這時冷置時間對發動機起動性能造成的影響就更為明顯。圖1對比了同一臺發動機在4500m高度標準天環境下的兩次起動試驗，第1次試驗冷置0.3小時，起動前滑油溫度19℃，T45溫度21℃，第二次試驗冷置1小時，起動前滑油溫度-1℃，T45溫度5℃。

試驗數據表明，第一次試驗發動機起動成功，而第二次試驗與第一次相比，在大氣環境以及進入轉速加速率閉環段之前，同轉速下發動機給定供油量完全一致的條件下，第二次試驗轉速加速率明顯低于第一次試驗，進入速速率閉環段之后仍加速緩慢，最終導致起動懸掛。結果表明低溫天起動時發動機余溫對起動性能有顯著影響。

3.2 熱機條件起動

發動機在熱機條件起動時，發動機零部件及燃/滑油余溫越高，發動機機械阻力矩越小，同時發動機點火性能也越好，相同燃油量下的發動機起動加速性更好。此外，發動機余溫高時燃氣渦輪轉靜子間隙相對較小，其做功能力也會顯著提升。目前控制規律中，給定轉速加速率的計算并未考慮發動機余溫的影響。圖2對比了兩次起動過程，第一次試驗T45溫度30度，第二次為熱機起動T45溫度100度。

試驗數據表明，起動過程中，發動機的電機帶轉段和點著火后的開環階段，熱機起動的實際轉速加速率明顯較高，但進入轉速加速率閉環控制段之后，由于給定轉速加速率未進行余溫修正，因此熱機條件下同轉速的給定轉速加速率與冷機相同而實際轉速加速率較高，從而導致控制系統控制油針持續減小甚至降至燃油低限，Ng轉速到達32%左右之后，隨著起動電機帶轉作用的減弱以及減油效果的累積，實際轉速加速率開始降低，直至轉速39%左右油針，轉速加速率隨著油針位置的增加開始恢復，結果表明當前熱機起動控制規律與發動機熱機性能存在不匹配的問題。

4 改進與驗證

圖2：熱機起動過程特性

圖3：4500米改進前后起動對比

圖4：地面-30℃度改進前后起動對比

圖5：改進前后熱機起動對比

根據上述問題，考慮基于發動機余溫對發動機的起動控制規律進行適應性修正，以優化發動機在低溫天及熱機條件下的起動性能。在控制系統采集的數據中，T45溫度、燃/滑油溫度均能夠反映發動機的余溫，且變化趨勢相近，這里選擇T45溫度作為控制修正的基礎參數，包括對給定流量Wf和給定加速度ND的修正。

其中kt451是基于起動前T45溫度對開環段供油量的修正，在原有控制規律的基礎上提高了對低溫條件下的修正，其主要目的在于進一步提升發動機的開環段燃油流量以及加快發動機點火和聯焰，從而提升開環段的加速性來提高低溫條件下的起動性能。kt452是基于起動前T45溫度對閉環段加速度的修正，kt452隨起動前T45溫度的上升而增大，在熱機起動時kt452的作用將使給定加速度相對冷機狀態提高以縮短起動時間。

另外，針對發動機在低溫天起動能力下降嚴重的問題，對電機控制回路及其脫開時間進行改進，提升電機帶轉能力，延長高空和大氣溫度-20℃以下條件下的帶轉時間，以提高其低轉速段的加速度。基于以上改進措施，進行了改進效果驗證和對比試驗。圖3和圖4對比在4500m標準天和地面-30℃下控制參數改進前后的起動對比情況。

驗證試驗結果表明，通過基于發動機余溫的供油量修正和電機控制改進能夠有效地提升發動機在低轉速段的加速性，避免進入因閉環后加速度過低而進入燃燒室性能惡化的工作區間進而導致的超溫保護以及發動機懸掛等問題，使發動機能夠在要求的時間內成功起動。

圖5對比了基于發動機余溫對起動過程轉速加速率給定的修正前后的發動機起動情況。試驗結果表明，采用T45余溫修正能夠避免原有控制規律下供給燃油流量在低轉速段快速降低-上升這一過程對起動的影響，并使發動機的起動時間縮短了3s。

5 結論

起動前的發動機余溫從多方面影響發動機的起動過程，特別是在高空、低溫、熱機起動時，其影響尤為明顯，本文基于這種影響提出了根據發動機余溫對控制參數進行修正的改進方法，試驗表明該改進設計能夠明顯改善發動機的起動性能。但仍需要通過大量的全飛行包線內發動機起動試驗來進行完整的驗證和參數優化。