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某型涡轴发动机起动过程控制研究

发表时间：2021/4/13 来源：《基层建设》2020年第32期作者：吴鑫鑫

[导读] 摘要：涡轴发动机起动过程是一个典型的非线性变化过程，在发动机的台架试验中可以影响发动机起动性能的可变因素有电机的带转、开环供油规律、加速度闭环控制规律。

        中国航发湖南动力机械研究所湖南省株洲市 412002
        摘要：涡轴发动机起动过程是一个典型的非线性变化过程，在发动机的台架试验中可以影响发动机起动性能的可变因素有电机的带转、开环供油规律、加速度闭环控制规律。本文通过分别改变起动电机电压、起动电机带转转速、开环供油规律给定、加速度闭环控制规律给定，得到了这四个变量对起动过程的影响情况，为起动供油规律的优化和起动问题的解决思路提供了参考。
        关键词：涡轴发动机；起动过程；控制参数
        1引言
        航空发动机的起动过程是一个非常复杂的过渡态过程，处于该过程中的航空发动机表现出明显的非线性、时变系统的特性。因此起动过程控制方案的选择是设计航空发动机控制系统的难点之一[1-2]。同时，航空发动机对起动时间和起动可靠性有严格的要求，起动性能直接影响飞机的飞行安全和用途、发动机的可靠性和使用寿命，所以进行起动过程控制研究非常重要。
        与涡扇、涡喷发动机相比，涡轴发动机起动过程中对燃油流量更为敏感，需要更加精确的燃油控制。目前国内使用与在研的涡轴发动机大部分采用全权限数字式发动机控制系统(FADEC)可以实现复杂的控制规律和控制算法，因此在设计起动过程控制方案时，与机械液压控制系统相比可以采用更复杂的控制逻辑。
        2涡轴发动机起动过程分析
        某型涡轴发动机采用电机带转的起动方式，当飞机给出起动信号时，起动电机通电并开始带转燃气发生器转子，同时点火电嘴开始工作。当燃气发生器转速到达某给定转速时，数控系统开始给燃烧室供油，按照燃气发生器带转方式起动过程可以分三个阶段[3]：1）起动电机开始工作到燃烧室点火成功。在此阶段中，燃气发生器转子完全由电机带动；2）燃烧室点火成功至电机脱开，在此阶段中，燃气发生器由电机和燃气涡轮共同带动，且在此过程中电机带转能力持续降低，燃气涡轮带转能力持续提高；3）电机脱开后至燃气发生器转速到达地面慢车状态，在此阶段中，燃气发生器由燃气涡轮带转。
        某型涡轴发动机起始供油ng转速为11%，当11%≤ ≤38%时，采用开环供油规律和加速度闭环控制规律两种可选模式。
        开环供油规律供油量按如下公式计算。

        3涡轴发动机起动过程可调参数影响分析
        由上节可知在某型涡轴发动机的起动过程中电机的带转、开环供油规律、加速度闭环控制规律都会对发动机起动过程产生影响，结合发动机台架可调参数，本节将以某型涡轴发动机为研究对象，分别改变起动过程中电机的起动电压、电机的带转转速、开环供油规律、加速度闭环控制规律探究这四个参数对起动过程的影响情况。

        图1 某涡轴发动机典型起动曲线

表1开环供油规律

表2 Ng加速度给定

        3.1 起动电机电压
        试验前改变地面台架电源电压分别为24V和28V，进行起动试验，起动曲线见图2。

                  图2 不同电压下起动情况
        由图分析可知：改变电机供电电压对发动机起动影响较大，在电压较低时，电机带转能力明显减弱，同时发动机点火时间延后发动机峰值温度变高，起动时间延长。在实际使用过程中一般对起动电压有严格要求，电压值一般保持恒定，由于涡轴发动机主要作为直升机的动力装置，而直升机需具备即时起降能力，在野外起飞时依靠机载蓄电池起动，此时蓄电池电压稳定性较差可能会由于供电电压较低导致起动温度过高，起动时间过长，甚至起动失败等问题。
        3.2 起动电机带转转速
        某型涡轴发动机的带转控制逻辑为ng≥50%或起动时间≥30s时电机脱开，由上图1可以看出此发动机起动时ng加速性较好，在起动时间为30s时ng已经到达60%左右，故实际起动时电机在ng=50%时脱开。现将电机带转转速分别改为45和40进行试验，起动曲线见图3。

                    图3 不同带转转速下起动情况
        由图分析可知：这两次降低带转转速起动对起动温度影响不大，起动前20秒内ng转速上升比原先快，但是由于电机脱开较早存在一段ng缓慢上升阶段，起动时间基本一致。
        3.3 加速度闭环控制规律
        为探究闭环加速度给定对起动过程的影响，对某型涡轴发动机的加速率给定进行三次调整，具体调整情况见表3，起动曲线见图4。
                                                             表3 Ng加速度给定调整情况

         图4 三次调整加速度给定起动情况
        由上图分析可知：调整加速率给定对起动前10秒内的转速和温度基本无影响，在此阶段燃气发生器转子主要由电机带转。在调小给定加速率后可以看出，起动的峰值温度有所下降，在ng≥40以后转速有所下降，导致起动时间略微延长。
        3.4 开环供油规律
        由第二节可知，当温升值>60℃或者Ng≥38%时发动机起动进入加速度闭环控制模式，图1可以看出此涡轴发动机点火成功后温升瞬间超过60℃，此时ng转速为16左右，而发动机开始供油转速为11%，因此只有11%≤ng≤16%时发动机供油规律处于开环模式。因此只要调整表1中ng=10%,ng=20%两个点的供油量。调整情况见表4，起动曲线见图5。
                           表4 开环供油规律调整

        图5 调整开环供油给定起动情况
        由上图分析可知：适量减小开环供油量可以明显地降低起动峰值温度，与此同时也会略微降低ng转速上升速度，延长起动时间。
        4 结论
        涡轴发动机起动电源品质对发动机起动过程影响较大，当电压达不到额定值时发动机起动峰值温度和起动时间均有所上升，为了保障发动机配装直升机正常起动，需对机载蓄电池提出严格要求。起动电机带转转速降低会导致电机脱开时有一段ng转速上升缓慢，不利于起动进行，因此在电机允许的情况下应尽量提高脱开转速。
        起动过程中调整加速度闭环控制规律给定，能够微调发动机峰值温度，并对T4.5到达峰值温度后的起动过程由较大影响，而调整开环供油量能够较明显地改变起动峰值温度。这是由于加速度给定闭环控制采用实际加速率与给定加速率只差来调整供油量的加减，而开环供油量直接作用于油针，对实际供油量影响较大。
        涡轴发动机为了得到较好的起动性能，应保证起动电机具有良好的起动特性，在进行起动规律调整时应先调整适当的开环供油规律，再根据具体的起动情况修改闭环加速率给定。
        参考文献
        [1]黄开明，周剑波，刘杰等.涡轴发动机起动过程的一种气动热力学实时模型[J].航空动力学报，2004，19（5）：703-707.
        [2]居海星，张海波，陈浩颖.一种通用涡轴发动机起动过程建模方法研究[J].推进技术，2017，38（6）：1386-1394.
        [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.