CN103334838A - 一种航空燃气涡轮发动机起动点火供油方法 - Google Patents

Abstract

一种航空燃气涡轮发动机起动点火供油方法，其特征在于：起动过程燃烧室点火采取“渐进式”供油：首先，在发动机起动过程满足供油条件的时刻，控制系统按照初始点火油量进行供油；初始点火油量为：在发动机燃烧室贫油点火边界油量的基础上减去控制系统供油最大偏差量；然后，控制系统按照油量上升斜率进行“渐进式”供油，点火油量上升斜率为：发动机贫油可点燃油量边界与富油可点燃油量边界之差，并涉及控制系统供油最大偏差量，并与理论规定点火时间的比值。本发明的优点：解决传统按照油气比进行起动点火供油存在的依赖于油量的控制和计量精度的不足，可以保证发动机地面和空中起动过程燃烧室的可靠点燃。

Description

一种航空燃气涡轮发动机起动点火供油方法

技术领域

本发明涉及航空燃气涡轮发动机起动设计领域，特别涉及了一种航空燃气涡轮发动机起动点火供油方法。

背景技术

目前较为通用的起动点火供油方法主要包括：

控制规律，采用组合参数

简称油气比进行点火供油规律设计，目前这种方法在航空发动机控制上得到广泛应用。这种供油方式依据燃烧室的部件特性所确定的可点燃油气比范围，比较好地反映燃烧的物理特性。这种供油方式依赖于油量的控制和计量精度，适应性不强，在发动机控制系统油量控制和计量精度不能满足要求时，发动机起动点火过程实际供油量超出适合于燃烧室特性的油气比范围，出现无法点燃、点火失稳等异常状态，从而影响发动机起动性能和成功率。

Wf=常数或Wf=f(P3)控制规律，目前这种方法在航空发动机控制上应用较少，优点是供油量控制易于实现，缺点是仅适用于特定的使用条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种航空燃气涡轮发动机起动点火供油方法，解决传统按照油气比进行起动点火供油而存在的依赖于油量的控制和计量精度的不足，对发动机加工、生产、装配、使用等差异具有更好的适应性，可以保证航空燃气涡轮发动机地面和空中起动过程燃烧室的可靠点燃。

本发明提供了一种航空燃气涡轮发动机起动点火供油方法，其特征在于：起动过程燃烧室点火采取“渐进式”供油：首先，在发动机起动过程满足供油条件的时刻，控制系统按照初始点火油量进行供油；初始点火油量为：在发动机燃烧室贫油点火边界油量的基础上减去控制系统供油最大偏差量；然后，控制系统按照油量上升斜率进行“渐进式”供油，点火油量上升斜率为：发动机贫油可点燃油量边界与富油可点燃油量边界之差，并涉及控制系统供油最大偏差量，并与理论规定点火时间的比值；

$k\_\mathrm{slope}=\frac{(\mathrm{Wf}\max +\mathrm{\ΔWf})-(\mathrm{Wf}\min -\mathrm{\ΔWf})}{\mathrm{td}}$

其中，k_slope为点火油量上升斜率，Wfmin为燃烧室贫油点火边界油量，Wfmax燃烧室富油点火边界油量，ΔWf为控制系统供油最大偏差量，td为理论规定点火时间。

所述的起动点火供油控制的同时，进行点火成功条件判断，供油后排气温度与供油时刻温度的差值达到既定阈值，表明发动机燃烧室点火成功。

初始点火油量、最大点火油量限制值、点火油量上升斜率和点火成功判断条件。在满足航空燃气涡轮发动机起动过程点火供油时刻，供油量按照初始点火油量执行，在初始供油量的基础上按照油量上升斜率渐进式提高点火油量，但不能大于最大点火油量限制值，同时进行点火成功条件判断，判断出燃烧室点火成功后退出点火供油。

a)初始点火油量

根据发动机燃烧室部件特性的试验结果，在进口总压、总温一定的条件下，不同进气流量对应存在贫富油点火油量或油气比边界，如图2，在边界范围内可以保证燃烧室的可靠点火。在发动机起动过程开始供油时刻，燃烧室的进口条件和空气流量是可以确定的，在此条件下对应的贫油点火边界油量Wfmin和富油点火边界油量Wfmax可以获取。

贫油点火边界油量Wfmin作为初始点火油量Wfd设计的输入条件，同时考虑发动机控制系统油量最大控制偏差范围ΔWf，确定初始点火油量Wfd量值，计算公式如下：

Wfd=Wfmin-ΔWf

初始点火油量的设计在发动机贫油点火边界油量的基础上有所降低，可以降低点火过程对供油的敏感度，保证发动机不出现点火失速的现象。

b)最大点火油量限制值

富油点火边界油量Wfmax作为最大点火油量限制值Wfx设计的输入条件，同时考虑发动机控制系统油量最大控制偏差范围ΔWf，，确定初始点火油量Wfx量值，计算公式如下：

Wfx=Wfmax+ΔWf

在发动机点火系统出现异常的情况下，如点火电嘴故障，通过设置最大点火油量限制值，可以避免发动机点火油量无限制增大。

c)点火油量上升斜率设计

贫油点火边界油量Wfmin与富油点火边界油量Wfmax之间即为可点燃的油量范围。在发动机起动所允许最长的点火时间td的时间内，点火油量需要由贫油可点燃油量边界过渡到富油可点燃油量边界，并考虑发动机控制系统油量偏差，可以确定点火油量的上升斜率k_slope。

$k\_\mathrm{slope}=\frac{(\mathrm{Wf}\max +\mathrm{\ΔWf})-(\mathrm{Wf}\min -\mathrm{\ΔWf})}{\mathrm{td}}=\frac{\mathrm{Wfx}-\mathrm{wfd}}{\mathrm{td}}$

按照设计得出的点火油量上升斜率，可以保证发动机在规定的时间内，点火油量在初始点火油量的基础上渐进式增加，最终快速实现点火成功。

综上所述，在发动机起动点火过程任一时刻t的供油规律如下，起始点火供油计时t=0s。

$\mathrm{Wf}=\{\begin{array}{cc}\mathrm{Wfd},& t=0s\\ \mathrm{Wfd}+k\_\mathrm{slope}\&times;t& 0s<t\&le;\mathrm{td}\\ \mathrm{Wfx}& t>\mathrm{td}\end{array}$

d)点火成功判断条件设计

燃烧室点火成功后，涡轮开始发出功率，发动机退出点火供油控制，转换为加速供油规律完成转速上升，因此判断点火成功是退出点火供油控制的必要条件。

在发动机起动过程点火成功需要利用机载的测量参数进行判断，选取的测量参数应该可以快速、有效反映燃烧室点燃的状态。涡轮后的排气温度T_W是航空涡扇发动机普遍采用的机载测量参数，燃烧室点火成功后，T_W相对未点火状态有较为明显的上升，因此可以根据此参数设置点火成功的判断条件。如果供油后排气温度相对供油时刻有较为明显的提高，表明发动机燃烧室点火成功。

ΔT_w=T_w-T_{w供油初始时刻}>A

式中T_W供油时刻为开始点火供油时刻T_W的实测值，A为设计的温度判断阈值。

温度判断阈值A设计时需要考虑传感器的测量精度，一般可以选择设置为10℃～20℃，阈值选择过大会延长判断时间。

本发明的优点：

本发明所述的航空燃气涡轮发动机起动点火供油方法，解决传统按照油气比进行起动点火供油存在的依赖于油量的控制和计量精度的不足，对发动机加工、生产、装配、使用等差异具有更好的适应性，可以保证发动机地面和空中起动过程燃烧室的可靠点燃。可广泛应用于军民用航空燃气涡轮发动机、燃气轮机起动点火供油设计。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明原理示意图；

图2为燃烧室点火特性示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种航空燃气涡轮发动机起动点火供油方法，其特征在于：起动过程燃烧室点火采取“渐进式”供油：首先，在发动机起动过程满足供油条件的时刻，控制系统按照初始点火油量进行供油；初始点火油量为：在发动机燃烧室贫油点火边界油量的基础上减去控制系统供油最大偏差量；然后，控制系统按照油量上升斜率进行“渐进式”供油，点火油量上升斜率为：发动机贫油可点燃油量边界与富油可点燃油量边界之差，并涉及控制系统供油最大偏差量，并与理论规定点火时间的比值；

$k\_\mathrm{slope}=\frac{(\mathrm{Wf}\max +\mathrm{\&Delta;Wf})-(\mathrm{Wf}\min -\mathrm{\&Delta;Wf})}{\mathrm{td}}$

其中，k_slope为点火油量上升斜率，Wfmin为燃烧室贫油点火边界油量，Wfmax燃烧室富油点火边界油量，ΔWf为控制系统供油最大偏差量，td为理论规定点火时间。

所述的起动点火供油控制的同时，进行点火成功条件判断，供油后排气温度与供油时刻温度的差值达到既定阈值，表明发动机燃烧室点火成功。

初始点火油量、最大点火油量限制值、点火油量上升斜率和点火成功判断条件。在满足航空燃气涡轮发动机起动过程点火供油时刻，供油量按照初始点火油量执行，在初始供油量的基础上按照油量上升斜率渐进式提高点火油量，但不能大于最大点火油量限制值，同时进行点火成功条件判断，判断出燃烧室点火成功后退出点火供油。

e)初始点火油量

根据发动机燃烧室部件特性的试验结果，在进口总压、总温一定的条件下，不同进气流量对应存在贫富油点火油量或油气比边界，如图2，在边界范围内可以保证燃烧室的可靠点火。在发动机起动过程开始供油时刻，燃烧室的进口条件和空气流量是可以确定的，在此条件下对应的贫油点火边界油量Wfmin和富油点火边界油量Wfmax可以获取。

贫油点火边界油量Wfmin作为初始点火油量Wfd设计的输入条件，同时考虑发动机控制系统油量最大控制偏差范围ΔWf，确定初始点火油量Wfd量值，计算公式如下：

Wfd=Wfmin-ΔWf

初始点火油量的设计在发动机贫油点火边界油量的基础上有所降低，可以降低点火过程对供油的敏感度，保证发动机不出现点火失速的现象。

f)最大点火油量限制值

富油点火边界油量Wfmax作为最大点火油量限制值Wfx设计的输入条件，同时考虑发动机控制系统油量最大控制偏差范围ΔWf，，确定初始点火油量Wfx量值，计算公式如下：

Wfx=Wfmax+ΔWf

在发动机点火系统出现异常的情况下，如点火电嘴故障，通过设置最大点火油量限制值，可以避免发动机点火油量无限制增大。

g)点火油量上升斜率设计

贫油点火边界油量Wfmin与富油点火边界油量Wfmax之间即为可点燃的油量范围。在发动机起动所允许最长的点火时间td的时间内，点火油量需要由贫油可点燃油量边界过渡到富油可点燃油量边界，并考虑发动机控制系统油量偏差，可以确定点火油量的上升斜率k_slope。

$k\_\mathrm{slope}=\frac{(\mathrm{Wf}\max +\mathrm{\&Delta;Wf})-(\mathrm{Wf}\min -\mathrm{\&Delta;Wf})}{\mathrm{td}}=\frac{\mathrm{Wfx}-\mathrm{wfd}}{\mathrm{td}}$

按照设计得出的点火油量上升斜率，可以保证发动机在规定的时间内，点火油量在初始点火油量的基础上渐进式增加，最终快速实现点火成功。

综上所述，在发动机起动点火过程任一时刻t的供油规律如下，起始点火供油计时t=0s。

$\mathrm{Wf}=\{\begin{array}{cc}\mathrm{Wfd},& t=0s\\ \mathrm{Wfd}+k\_\mathrm{slope}\&times;t& 0s<t\&le;\mathrm{td}\\ \mathrm{Wfx}& t>\mathrm{td}\end{array}$

h)点火成功判断条件设计

燃烧室点火成功后，涡轮开始发出功率，发动机退出点火供油控制，转换为加速供油规律完成转速上升，因此判断点火成功是退出点火供油控制的必要条件。

在发动机起动过程点火成功需要利用机载的测量参数进行判断，选取的测量参数应该可以快速、有效反映燃烧室点燃的状态。涡轮后的排气温度T_W是航空涡扇发动机普遍采用的机载测量参数，燃烧室点火成功后，T_W相对未点火状态有较为明显的上升，因此可以根据此参数设置点火成功的判断条件。如果供油后排气温度相对供油时刻有较为明显的提高，表明发动机燃烧室点火成功。

ΔT_w=T_w-T_{w供油初始时刻}>A

式中T_W供油时刻为开始点火供油时刻T_W的实测值，A为设计的温度判断阈值。

温度判断阈值A设计时需要考虑传感器的测量精度，一般可以选择设置为10℃～20℃，阈值选择过大会延长判断时间。

Claims (2)

1.一种航空燃气涡轮发动机起动点火供油方法，其特征在于：起动过程燃烧室点火采取“渐进式”供油：首先，在发动机起动过程满足供油条件的时刻，控制系统按照初始点火油量进行供油；初始点火油量为：在发动机燃烧室贫油点火边界油量的基础上减去控制系统供油最大偏差量；然后，控制系统按照油量上升斜率进行“渐进式”供油，点火油量上升斜率为：发动机贫油可点燃油量边界与富油可点燃油量边界之差，并涉及控制系统供油最大偏差量，并与理论规定点火时间的比值；

$k\_\mathrm{slope}=\frac{(\mathrm{Wf}\max +\mathrm{\&Delta;Wf})-(\mathrm{Wf}\min -\mathrm{\&Delta;Wf})}{\mathrm{td}}$

其中，k_slope为点火油量上升斜率，Wfmin为燃烧室贫油点火边界油量，Wfmax燃烧室富油点火边界油量，ΔWf为控制系统供油最大偏差量，td为理论规定点火时间。

2.根据权利要求1所述的航空燃气涡轮发动机起动点火供油方法，其特征在于：所述的起动点火供油控制的同时，进行点火成功条件判断，供油后排气温度与供油时刻温度的差值达到既定阈值，表明发动机燃烧室点火成功。

Images