航空燃氣渦輪發動機的起動控制與試驗研究

袁俊

（中國航發常州蘭翔機械有限責任公司，江蘇 常州 213022）

燃氣渦輪發動機具有耗油量低、推重比高等優點，是目前應用最廣泛的航空發動機，被普遍用于客機、戰斗機、直升機、無人機、巡航導彈等航空飛行器的動力需求之中。但同時航空燃氣渦輪發動機的結構復雜、制造精度要求高，為保障其正常運行，在發動機設計制造完成后，還需要對其進行整機試驗和起動控制試驗。其中，起動控制試驗主要是評測燃氣渦輪發動機在起動過程中，是否存在起動問題。由于燃氣渦輪發動機在起動過程中，很容易因為供油量不夠精確而出現“熱懸掛”和超溫問題。因此，有必要提出合理的起動控制方案，以實現對航空燃氣渦輪發動機起動過程的良好控制，避免超溫問題對發動機性能的損壞，提高發動機起動成功率，并應利用試驗模擬的方式驗證起動控制方案的效果與可行性。

本文以某型航空燃氣渦輪發動機為研究對象，提出了發動機起動控制方案，并根據發動機特點和起動控制試驗的要求，搭建了發動機起動控制試驗測試系統；然后，對起動控制方案進行試驗，并根據試驗結果調整優化起動過程供油量調整控制參數，使發動機起動過程中渦輪出口的燃氣最高溫度有大幅度降低，且溫度到達峰值時間也有所縮短。這也證明了通過起動控制方案的實施及調整優化，能實現燃氣渦輪發動機起動控制過程中的精確供油，從而很好地避免了發動機燃燒室、渦輪、尾噴管等熱端部件氣流通道中的燃氣溫度超溫對發動機的損壞。此外，該起動控制試驗的結果，也為燃氣渦輪發動機后續結構與性能的優化設計，提供了有益的參考。

1 燃氣渦輪發動機的工作原理及起動控制常見問題

1.1 主要結構與工作原理

航空燃氣渦輪發動機，其主要是由進氣通道、壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴管這五個主要部件所構成，典型結構圖1 所示。其主要工作原理為：壓氣機將空氣通過進氣通道吸入；壓氣機葉片將空氣壓縮為高壓空氣，導入進燃燒室；燃燒室內高壓空氣與燃油混合燃燒，生成高溫高壓燃氣；高溫高壓燃氣推動渦輪高速旋轉，渦輪旋轉又帶動壓氣機；燃氣在尾噴管膨脹噴出，產生較大的推動力量，帶動航空飛行器的飛行。

圖1 典型燃氣渦輪發動機的總結結構截面示意圖

1.2 燃氣渦輪發動機起動過程中的“熱懸掛”和超溫問題

燃氣渦輪發動機在起動過程中，很容易因為供油量不夠精確而出現“熱懸掛”和超溫問題。“熱懸掛”是指發動機轉速不會隨著供油上升而提高，甚至會出現下降。當燃氣渦輪發動機起動過程中出現“熱懸掛”時，發動機的燃燒室、渦輪、尾噴管出口溫度會急劇升高，不僅容易導致發動機熱端零部件因過大的熱載荷而受到損壞，而且嚴重時甚至會導致發動機運行故障，影響發動機的正常使用壽命。

因此，有必要提出相應的起動控制方案，并通過試驗驗證及調整優化，從而有效解決燃氣渦輪發動機起動過程中常見的超溫問題。

2 燃氣渦輪發動機起動過程中的控制方案

為了有效地解決燃氣渦輪發動機因為供油量不夠精確，在起動控制過程中容易出現的“熱懸掛”和超溫問題。本文以某型燃氣渦輪發動機為研究對象，從硬件和軟件這兩個角度入手，提出了其起動控制方案。

（1）硬件方案。設計采用燃氣渦輪發動機電子控制器，其工作原理是利用電子控制器的主控單元和信號傳輸單元，以實時接收發動機的排氣溫度、轉速等參數信號，并根據參數信號與預設參數進行對比，以發送動態化的控制命令傳輸到步進電機。該控制器在發動機起動控制中的應用結構框架（如圖2 所示），主要由電子控制器（主控單元）、傳感器（信號傳輸單元）、油路系統、油泵、步進電機驅動單元等共同組成。

圖2 控制器在發動機起動控制中的應用結構框架

其中，電子控制器主要負責采集和處理各傳感器傳輸的溫度信號，并通過相應的控制算法，將控制命令輸出到步進電機，以精確調整供油泵出口油針開度，控制發動機起動階段的供油量。

（2）軟件方案。燃氣渦輪發動機起動控制的軟件方案，主要為設計開發與硬件優化方案相匹配的測控軟件。測控軟件采用模塊化思想，根據硬件控制器的實際需求，將軟件功能集成實現以下功能模塊：①傳感器數據的采集功能；②數據顯示與存儲功能；③參數設置功能；④數據處理與傳輸功能，以實現發動機起動過程中的起動控制、加減速控制、停車控制等操作，如圖3 所示。

圖3 起動控制軟件的功能模塊框架

3 燃氣渦輪發動機起動控制試驗模擬驗證

3.1 起動控制試驗測試系統的搭建

起動控制試驗主要是評測燃氣渦輪發動機在起動過程中，是否存在超溫問題，通過將試驗過程中排氣溫度值與預設溫度值進行對比分析，以真實客觀地測評出發動機的運行可靠性與起動性能。

本文采用試驗模擬的方式，以驗證燃氣渦輪發動機起動控制方案的效果與可行性。首先，應根據燃氣渦輪發動機特點和起動控制方案的要求，在發動機試驗臺上搭建起動控制試驗測試系統，主要由試驗用發動機、安裝平臺、供油系統、數據采集系統、電子控制器以及測控軟件等共同組成。

其中，數據采集系統是燃氣渦輪發動機起動控制試驗的重要組成部分，該系統主要用于發動機試驗數據的調理轉換、自動采集和管理功能。由于發動機試驗中，測量參數數據的類型較多，包括壓力、轉速、溫度、流量等。這就需要數據采集系統將傳感器接受的響應信號，轉化為統一的4 ～20mA 電壓信號，并將信號分別送往電子控制器，進行數據的采集、記錄、分析與管理。然后電子控制器再根據相應的控制算法，將控制命令輸出到步進電機，以精確調整發動機供油泵出口的油針開度，控制發動機起動階段的供油量，實現供油量的精確控制。

3.2 試驗數據信息的采集

由于燃氣渦輪發動機在起動控制中，很容易因為供油量不夠精確而出現超溫問題。為了驗證起動控制方案對解決超溫問題的有效性，本次試驗主要對起動過程中燃氣渦輪發動機的渦輪出口的溫度數據T 進行測量，以檢驗試驗的效果與可行性。同時根據試驗結果，調整優化控制算法中的相關參數，修正發動機起動過程中的供油量，以降低起動溫度并保證起動成功。本次試驗中溫度數據信息的采集，采用的是K 型鎳硅熱電偶溫度探頭，其測溫范圍可達到1400℃，遠高于燃氣渦輪發動機各零部件的正常工作溫度，能充分滿足測量要求。

3.3 試驗結果分析

利用測控計算機進行曲線繪制，可得出起動控制方案參數優化前后，燃氣渦輪發動機起動控制階段。在試驗中，為降低試驗數據誤差，在渦輪出口設置了兩根K 型鎳硅熱電偶溫度探頭。在采取優化方案后，渦輪出口的溫度峰值有明顯降低，從757 ℃降低到705℃，最高溫度峰值差達到了52℃，且兩個溫度探頭所測得的溫度峰值都有所提前，避免了發動機熱端零部件長期受到高熱載荷的影響而受損。這也證明了通過該優化方案的實施，能實現燃氣渦輪發動機起動控制過程中的精確供油，從而很好地避免發動機燃燒室、渦輪、尾噴管等熱端部件氣流通道中的燃氣溫度超溫問題對發動機的損壞。

4 結語

當燃氣渦輪發動機起動過程中出現“熱懸掛”時，發動機的燃燒室、渦輪、尾噴管等熱端部件氣流通道中的燃氣溫度會急劇升高，不僅容易導致發動機各類零部件因過大的熱載荷而受到損壞，而且嚴重時甚至會導致發動機運行故障，影響發動機的正常使用壽命。為了有效解決燃氣渦輪發動機因為供油量不夠精確，在起動控制過程中容易出現的“熱懸掛”和超溫問題，本文以某型燃氣渦輪發動機為研究對象，從硬件和軟件這兩個角度入手，提出了其起動控制方案，并利用試驗模擬的方式驗證了該方案的效果與可行性。同時根據試驗結果，對起動控制方案供油量控制算法相關參數進行調整優化，通過優化前后溫度數據的對比，發現起動控制過程中發動機渦輪出口的最高溫度大幅度降低，且溫度到達峰值的時間也有所提前，從而有效地避免了起動超溫問題對發動機熱端部件性能及使用壽命的損壞。