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摘要：军用小涵道比涡扇发动机在部件性能退化情况下推力保持稳定可有效保证战斗机的作战性能，合理的控制计划有助于实现这一目标。文章就军用小涵道比涡扇发动机最大状态控制计划鲁棒性展开分析。
关键词：军用小涵道；涡扇发动机；鲁棒性
航空发动机控制系统是航空发动机重要组成之一，优秀的控制系统设计可以充分发掘发动机性能潜力，延长发动机的服役时间，保障其整机安全。控制计划是控制系统设计的顶层需求，对于控制系统设计具有决定性意义，很大程度上决定了发动机的稳态及过渡态性能。发动机稳态控制计划对于发动机整个生命周期具有重要作用，合理的稳态控制计划设计可有效减少发动机工程使用中的维护次数，降低运行成本。而最大状态控制计划是稳态控制计划的重要环节，军用小涵道比涡扇发动机最大状态工作时间约占发动机整个工作时间的10%~20%，而未来随着飞机机动性能需求的增加这一比重必然提高。因此，小涵道比涡扇发动机最大状态控制计划研究对于发动机性能提升、使用寿命延长具有重大意义。
1不同最大状态控制计划
1.1控制计划1-n2，πT
某型发动机最大状态控制计划为，该双回路控制根据飞行高度H、飞行马赫数Ma及油门杆角度PLA确定高压转子转速指令n2r和涡轮落压比指令πTr，由比例积分控制器输出实际主燃烧室燃油Wfb和尾喷管喉道面积A8指令通过执行机构作用于发动机，形成闭环控制回路。控制高压转子转速n2可有效反映发动机机械负荷和热负荷，保证发动机安全可靠工作；控制涡轮落压比可保证在接通加力时发动机核心机状态不变，有利于发动机稳定工作。
1.2控制计划2-n2，n1
某型军用小涵道比涡扇发动机最大状态控制计划，首先由发动机进口条件根据控制计划表给定高压转子转速指令，然后由高压转子转速与低压转子转速n1的对应关系插值出低压转子转速指令n1r，最后由比例积分控制器输出Wfb和A8指令传给执行机构作用于发动机。由于高低压转子转速容易测量且测量精度较高，因此可以保证更高的控制精度。
1.3 控制计划3-Wa22C，EPR
根据控制计划表通过主燃烧室燃油流量控制风扇转速，从而控制发动机流量。由当前飞行状态及流量需求逻辑确定风扇进口换算流量，然后结合 n1需求逻辑确定 n1指令，根据传感器测得 n1转速做差作为输入。该输入通过比例环节确定一个主燃烧室油气比分量，由当前 PLA 以及风扇进口总温 Tt2确定控制计划表主燃烧室油气比 Wfb/pt3，根据低压涡轮进口总温 Tt5、高压转子转速、压气机出口总压 pt3限制通过积分环节确定一个主燃烧室油气比分量，将三个分量求和再乘以压气机出口总压得到实际燃油指令，传给执行机构输出燃油，形成完整闭环控制回路。Wa22C控制回路在发动机所有工作状态中都应用。
1.4控制计划4-n1，EPR
该控制回路与计划 3类似，燃油控制回路根据发动机进口条件直接控制低压转子转速，相较于计划 3 避免了计算风扇进口换算流量，在工程应用中更易实现。
2 不同控制计划鲁棒性能分析
军用小涵道比发动机尾喷管为收敛扩张喷管，对于一定高度和马赫数的飞行状态，发动机推力公式可表示为：
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式中Wg9为发动机喷管出口燃气流量，Wa2为发动机进口空气流量，V0为飞行速度，排气速度V9=Ma9c9，p9为喷管出口静压，p0为大气背压，A9为喷管出口截面面积。当喷管扩张段为全管超声速流时，喷管出口仅可能出现三种状态：出口斜激波、设计状态、出口膨胀波，而这三种状态对应的喷管出口静压均为特征压力pb1。
2.1 对于计划1
对于计划1，主燃烧室燃油流量控制高压转子转速，而发动机流量由进口压缩部件风扇决定，因此当发动机部件发生流量退化时，在相同进口条件下，由于流量退化导致发动机流量减小，忽略空气流量与燃气流量的差别。可知高压涡轮进口流量 Wg42减小，导致高压涡轮功 pHT减少，因此主燃烧室供油减少。同时，压气机功 PHC也相应减小，压气机出口焓 H3下降（Wg 4，Wa3分别为主燃烧室燃气流量和主燃烧室进口空气流量，Hu，ηB分别为燃油热值和主燃烧室燃烧效率）可知，在主燃烧室燃油流量、进口焓均下降情况下，燃烧室出口焓也相应下降，燃烧室出口总温下降，因此发动机推力下降。
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当发动机部件效率退化时，完成相同进口流量下的气体压缩需要消耗更多的功，因此燃烧室燃油流量增加，导致涡轮前温度增加，推力增加。因此，发动机部件性能退化时，在相同工作状态发动机性能会发生偏离。
2.2对于计划 2
对于计划 2，虽然被控量为高低压转子转速，但低压转子转速控制由喷管喉道面积调节，而发动机推力与主燃烧室燃油流量直接相关，主燃烧室燃油流量控制高压转子转速，因此该控制计划在部件性能退化时的推力响应与计划 1 类似。
2.3 对于计划3
对于计划 3，被控量为 Wa22C与 EPR，当发动机部件性能退化时，被控量计划指令不变，由于
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因此在相同进口条件下，Wa22C不变可保证 Wa2不变，EPR 不变可保证 pt6不变，可以保证发动机在退化情况下保持性能稳定，维持推力基本不变，有效减小部件性能退化对发动机性能影响。
2.4 对于计划4
对于计划 4，主燃烧室燃油流量控制低压转子转速，在相同的风扇进口工作条件下，低压转子转速指令不变使得低压转子换算转速 n1cor不变，基本可保证风扇进口换算流量 Wa22C不变，一定程度上可以实现对发动机流量的控制，因此在部件性能退化时具有与计划 3 相近的效果，但是当风扇流量退化时，其部件特性发生变化，控制低压转子转速不变不能维持风扇进口换算流量不变，发动机流量下降，此时推力也会出现一定的下降。
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3验证与仿真
以小涵道比涡扇发动机为研究对象，分别对四种最大状态控制计划下各部件流量、效率退化，多部件流量效率退化对发动机性能影响对比，并在开环情况下研究了不同退化情况下燃油变化对各被控参数与推力的关系变化，下面为仿真结果。首先在 H = 0km，Ma = 0 设计点，研究了不同控制计划下部件性能退化时发动机性能参数的变化。结果可知，单部件流量退化与效率退化对发动机性能影响结果几乎截然相反，部件流量退化会导致发动机推力下降，而部件效率退化则会导致发动机推力上升，压气机和高压涡轮的性能退化对发动机推力影响最大。
单部件流量退化时，计划1和计划2发动机推力出现不同程度下降，最大下降幅度接近-7%，发动机性能发生严重偏离。而计划3，4几乎能够自适应流量退化，发动机推力变化趋势基本一致，变化幅度小于2%，但计划3在风扇流量退化时效果明显优于计划4，推力最大变化幅度仅为-1.29%。
总之，本文基于理论推导分析了不同最大状态控制计划在发动机部件性能退化时对发动机性能的影响。大部分情况下，采用不同的最大状态控制计划在部件流量退化时发动机推力呈下降的趋势；部件效率退化时发动机推力呈增加趋势。（2）相较于现役常规的最大状态控制计划1，2，计划3，4 可以自适应发动机部件性能退化，推力变化幅度远小于计划1，2，可有效保证发动机部件性能退化下性能稳定。
参考文献：
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