CN106323640B - 一种航空发动机加减速供油试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机的试验领域，提供了一种航空发动机加减速供油规律的试验方法，该方法包括航空发动机、发动机电子控制器、燃油调节机构、压力传感器、温度传感器、转速传感器、流量传感器和数据监视系统；发动机电子控制器对航空发动机进行控制，燃油调节机构对航空发动机的供油量进行调节，压力传感器装在航空发动机的高压压气机出口，温度传感器装在航空发动机的风扇进口和低压涡轮出口，转速传感器测量航空发动机高压转子转速，流量传感器测量主燃油流量和压气机出口流量。

Description

一种航空发动机加减速供油试验方法

(一)技术领域

本发明涉及航空发动机试验领域，特别提供了一种航空发动机加减速供油规律的试验方法。

(二)背景技术

航空发动机加速控制的目的，就是使发动机在满足一定的限制约束条件下，迅速地从某个小推力功率状态过渡到较大的推力功率状态。工作状态过渡所持续的时间称为加速时间。对于军机而言，发动机加速性是发动机重要性能指标之一。发动机减速控制是通过减小供油量，使发动机由高转速状态迅速降低到低转速状态，推力迅速减小。

为缩短加速时间，就要增大涡轮剩余功率，也就是需要提高涡轮进口燃气温度。然而，涡轮进口温度不能过高。在加速过程中，当发动机在低、中转速时，涡轮进口温度过高易导致压气机喘振；高转速时，涡轮部件容易过热，高空条件下还易产生富油熄火。从理论上讲，当加速线沿着喘振边界加速时涡轮剩余功率最大，加速时间最短，但事实上喘振边界难以准确确定，而且任何扰动都可能会使压气机进入喘振。实际可实现的加速过程是保持一定喘振裕度的过程。而发动机减速时应防止燃烧室贫油熄火，为此供油量减小速度应受到限制。此段论述引自西北工业大学出版社2008年出版的樊思齐教授主编的国防科工委“十五”规划教材《航空发动机控制》(下册)。

目前，航空发动机加减速供油试验方法通常采用两种方式实现。一方面，工程应用中普遍采用经验的方法调整和修正供油规律；另一方面，理论研究中多采用非线性规划问题处理方法进行加减速供油规律性能寻优设计，其基本原理是将加减速性能作优化目标，发动机物理限制作为约束条件，运用优化算法迭代求解控制变量，使系统在约束条件下满足期望的性能指标(参考航空学报，1992年13卷第4期王旭、梁钧襄论文《有约束的航空发动机加速最优控制》)(2014年6月第1版、姚华编著《航空发动机全权限数字电子控制系统》)。

采用经验的方法调整和修正供油规律的缺点是无法保证不同飞行条件下的过渡态性能，而且风险大、成本高；采用非线性规划问题处理方法进行加减速供油规律设计缺点是性能寻优算法复杂、计算量大不保证收敛，不能满足在线试验设计的实时性要求。具体表现为几个方面：

1.采用经验的方法调整和修正供油规律不能从机理层面对问题进行定量分析和计算，形成的供油规律不能保证在全部飞行包线内满足性能要求；

2.采用经验的方法调整和修正供油规律需要反复进行台架试车确定参数，首先在控制规律没有确定的情况下进行试车具有很高的安全风险，容易造成发动机损害。其次，试车台进行设计工作造成资源和能源的浪费；

3.非线性规划问题处理方法是将加减速供油规律设计转化为非线性约束最优化问题求解。早期采用无约束优化问题求解的方法，计算量大而且收敛速度慢，很难进行精确求解，无法实现实时的在线设计；当前普遍采用的二次规划方法是一种近似优化的方法，用一系列的线性规划或二次规划来逐次逼近原非线性规划问题，近似模型的形式和误差会对设计精度造成较大的影响。

(三)发明内容

本发明目的是针对航空发动机加减速供油问题，提供一种航空发动机的试验方法，该方法包括航空发动机、发动机电子控制器、燃油调节机构、压力传感器、温度传感器、转速传感器、流量传感器和数据监视系统；发动机电子控制器对航空发动机进行控制，燃油调节机构对航空发动机的供油量进行调节，压力传感器装在航空发动机的高压压气机出口，温度传感器装在航空发动机的风扇进口和低压涡轮出口，转速传感器测量航空发动机高压转子转速，流量传感器测量主燃油流量和压气机出口流量；其特征在于包括以下步骤：

步骤一、设定发动机的加减速时间限值和温度限值；

步骤二、设定喘振裕度初始值；在MATLAB软件中，由发动机稳态试车数据获得发动机的稳态共同工作线；根据喘振裕度初始值以及稳态共同工作线获得发动机外推加减速共同工作线，并由MATLAB软件对所述的外推加减速共同工作线进行计算得到航空发动机高压转子不同转速情况下的压气机增压比及质量流量；

步骤三、将所述的喘振裕度、增压比、质量流量、设定的高压转子的不同转速、设定的进口总温度以及设定的进口总压力作为参数，通过航空发动机气动热力学计算模型获得航空发动机主燃油流量和压气机出口总压；

步骤四、根据所述的航空发动机主燃油流量Wf、压气机出口总压P3以及设定的高压转子转速n2拟合获得航空发动机加减速供油曲线，即：航空发动机主燃油流量Wf/压气机出口总压P3-高压转子转速n2曲线；

步骤五、发动机电子控制器根据所述的航空发动机加减速供油曲线控制发动机供油，由数据监视系统记录发动机的主燃油流量、压气机出口流量、高压转子转速、压气机出口总压和低压涡轮出口温度、各个加速段的加速时间、各个减速段的减速时间；

步骤六、判断发动机的加速时间和减速时间是否不超过加减速时间限值，且判断低压涡轮出口温度是否不超过温度限值。

本发明的优点：

本发明所述的航空发动机加减速主燃油供油试验方法，实现了基于模型的加减速供油规律定量设计，简化了设计流程工程上易于实现。与依靠经验调整和修正供油规律的方法相比，本发明方法实现了基于模型计算的供油规律定量的调整与修正，节省了设计周期和和成本；与非线性规划设计供油规律的方法相比，本发明方法简化了设计流程，算法更易于实现，计算更加快速，避免了迭代计算产生的计算量与不收敛问题，提高了工程实用性。

(四)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说明：

图1为稳态共同工作线和发动机外推加减速共同工作线图；

图2航空发动机主燃油流量Wf/压气机出口总压P3-高压转子转速n2曲线图；

图3试验流程图；

(五)具体实施方式

本发明目的是针对航空发动机加减速供油问题，提供一种航空发动机的试验方法，该方法包括航空发动机、发动机电子控制器、燃油调节机构、压力传感器、温度传感器、转速传感器、流量传感器和数据监视系统；发动机电子控制器对航空发动机进行控制，燃油调节机构对航空发动机的供油量进行调节，压力传感器装在航空发动机的高压压气机出口，温度传感器装在航空发动机的风扇进口和低压涡轮出口，转速传感器测量航空发动机高压转子转速，流量传感器测量主燃油流量和压气机出口流量；其特征在于包括以下步骤：

步骤一、设定发动机的加减速时间限值和温度限值；

步骤二、设定喘振裕度初始值；在MATLAB软件中，由发动机稳态试车数据获得发动机的稳态共同工作线；根据喘振裕度初始值以及稳态共同工作线获得发动机外推加减速共同工作线，并由MATLAB软件对所述的外推加减速共同工作线进行计算得到航空发动机高压转子不同转速情况下的压气机增压比及质量流量；

步骤三、将所述的喘振裕度、增压比、质量流量、设定的高压转子的不同转速、设定的进口总温度以及设定的进口总压力作为参数，通过航空发动机气动热力学计算模型获得航空发动机主燃油流量和压气机出口总压；

步骤四、根据所述的航空发动机主燃油流量Wf、压气机出口总压强P3以及设定的高压转子转速n2拟合获得航空发动机加减速供油曲线，即：航空发动机主燃油流量Wf/压气机出口总压强P3-高压转子转速n2曲线；

步骤五、发动机电子控制器根据所述的航空发动机加减速供油曲线控制发动机供油，由数据监视系统记录发动机的主燃油流量、压气机出口流量、高压转子转速、压气机出口总压和低压涡轮出口温度、各个加速段的加速时间、各个减速段的减速时间；

步骤六、判断发动机的加速时间和减速时间是否不超过加减速时间限值，且判断低压涡轮出口温度是否不超过温度限值。

特别，步骤一中进一步设定物理限制，该物理限制包括转子转速限制和贫油熄火限制。

Claims (2)

1.一种航空发动机加减速供油试验方法，该方法使用的装置包括航空发动机、发动机电子控制器、燃油调节机构、压力传感器、温度传感器、转速传感器、流量传感器和数据监视系统；发动机电子控制器对航空发动机进行控制，燃油调节机构对航空发动机的供油量进行调节，压力传感器装在航空发动机的高压压气机出口，温度传感器装在航空发动机的风扇进口和低压涡轮出口，转速传感器测量航空发动机高压转子转速，流量传感器测量主燃油流量和压气机出口流量；其特征在于包括以下步骤：

步骤一、设定发动机的加减速时间限值和温度限值；

步骤二、设定喘振裕度初始值；在MATLAB软件中，由发动机稳态试车数据获得发动机的稳态共同工作线；根据喘振裕度初始值以及稳态共同工作线获得发动机外推加减速共同工作线，并由MATLAB软件对所述的外推加减速共同工作线进行计算得到航空发动机高压转子不同转速情况下的压气机增压比及质量流量；

步骤三、将所述的喘振裕度、增压比、质量流量、设定的高压转子的不同转速、设定的进口总温度以及设定的进口总压力作为参数，通过航空发动机气动热力学计算模型获得航空发动机主燃油流量和压气机出口总压；

步骤四、根据所述的航空发动机主燃油流量Wf、压气机出口总压P3以及设定的高压转子转速n2拟合获得航空发动机加减速供油曲线，即：航空发动机主燃油流量Wf/压气机出口总压P3-高压转子转速n2曲线；

步骤五、发动机电子控制器根据所述的航空发动机加减速供油曲线控制发动机供油，由数据监视系统记录发动机的主燃油流量、压气机出口流量、高压转子转速、压气机出口总压和低压涡轮出口温度、各个加速段的加速时间、各个减速段的减速时间；

步骤六、判断发动机的加速时间和减速时间是否不超过加减速时间限值，且判断低压涡轮出口温度是否不超过温度限值。

2.根据权利要求1所述的航空发动机加减速供油试验方法，其特征在于：步骤一中还包括：进一步设定物理限制，该物理限制包括转子转速限制和贫油熄火限制。