CN112483259A - 一种随高度变化的涡扇发动机预燃室点火起动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种随高度变化的涡扇发动机预燃室点火起动方法，属于涡扇发动机点火起动技术领域。首先，起发电机带动高压转子到点火转速，通过发动机状态信息判断发动机是否具备点火条件再进行点火；其次，电点火系统工作，同时起动油路和主油路分别向预燃室和燃烧室供油，总供油量随高度变化而变化，起动油路供油周期性控制且一定周期内的供油和断油时间按高度进行调整；电点火系统工作产生电火花点预燃室内的油气混合物，其火焰点燃燃烧室内的油气混合物，发动机完成点火起动；当发动机转速达到58％以上，供油调节器切断向预燃室的供油，预燃室及电点火系统停止工作。本发明能够实现发动机在不同高度快速、可靠起动。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机用涡扇发动机高原起动时的预燃室点火控制方法，随着高度的变化采用不同的起动供油方法，以适应我国全疆域0－5km地面起动。属于涡扇发动机点火起动技术领域。
背景技术
影响发动机点火起动性能的因素主要包括油气配比和起动温度两方面，而高原使用环境对这两个因素都有明显的影响，具体表现为：
高原环境下，随着海拔高度的增加，环境大气压随之下降(海平面标准大气压力为101.325kPa，5km高度仅为54.05kPa)，空气密度也相应降低(海平面标准值为1.225kg/m3，5km高度仅为0.7364kg/m3)，发动机工作时进入燃烧室和预燃室的空气质量流量减小，导致燃烧室和预燃室的余气系数发生改变，如果供油控制规律不合适，可能会因富油造成点火困难，或出现转速“热悬挂”，燃烧室出口温度急剧升高或高压涡轮导向器叶片烧蚀等，或者预燃室点不着火，严重时可导致起动失败。另一方面，随海拔高度的升高，环境温度显著下降(大气层11km高度内，每升高1km，环境温度大约降低6.5℃)；温度的降低导致燃油粘度增加，雾化效果变差，油雾与空气掺混不充分，分子活化能降低，点火条件恶化，点火更加困难。
对于高原及高空点火，无人机用涡扇发动机和弹用涡扇发动机采用了两种技术途径：弹用涡扇发动机由于其一次性使用的特性和快速可靠起动的使用要求，多采用大能量烟火点火器和电点火装置同时工作的方式完成起动。
无人机用小型涡喷/涡扇发动机由于其反复使用、较长寿命工作的特性，多采用起动－发电电机拖转，电点火点燃的方式完成起动。大型涡喷/涡扇发动机则多采用起动电机拖转或者由辅助动力装置(APU)提供高压空气吹转，电点火点燃的方式起动。高原环境下通常情况下，通过增大点火能量、辅助加温或者汽油预燃等方式来进行解决。弹用的烟火点火器起动方式适用用一次性使用的发动机，而辅助加温、汽油预燃等方式则增加了使用维护保障的要求。
发明内容
本发明提供了一种随高度变化的涡扇发动机预燃室点火起动方法，通过在不同高度采用不同的起动供油方案，合理调节起动过程中的油气配比，同时考虑主燃烧室随温度变化燃油雾化变差情况，适当的补充主油路供油并调整起动油路变化规律，以实现在不同高度快速、可靠起动发动机的目的。
一种随高度变化的涡扇发动机预燃室点火起动方法，其中，发动机点火起动系统包括电点火系统、数字控制器、起动控制器、起发电机和供油调节器；
该方法实现的步骤如下：
步骤一：起动控制器控制起发电机带动高压转子到点火转速，数字控制器通过发动机转速和状态信息综合判断发动机是否具备点火条件，当数字控制器判断发动机具备点火条件时进入下一步否则重新判断；
步骤二：电点火系统工作，同时起动油路和主油路分别向预燃室和燃烧室供油，总供油量随高度变化而变化，起动油路供油周期性控制且一定周期内的供油和断油时间按高度进行调整；电点火系统工作产生电火花点预燃室内的油气混合物，其火焰点燃燃烧室内的油气混合物，发动机完成点火起动；
步骤三：当发动机转速达到58％以上，供油调节器切断向预燃室的供油，预燃室及电点火系统停止工作。
进一步地，所述步骤二中随高度变化的总供油量包括：预置初始供油量(qmf＿start)，当发动机高转转速(nh)比起动时刻增长超过3000r/min或发动机涡轮后燃气温度(Tt4a)比起动时刻增长超过50℃时，按照时间逐步加油，该规律的最大供油限制为(qmf＿end)，不同高度下的供油量按下表进行控制，区间内线性插值；
进一步地，所述步骤二中起动油路供油周期性控制规律为：当发动机转速
时(单位：转每分钟)，起动油路供油，周期为0.6s，在一个周期内，占空比q％的时间供油，1－q％的时间断油；其中q为一个按高度变化的量，变化依据公式(1)：
q＝55－H*6……………………公式(1)
式中H为高度(0～5km)，单位km，
为发动机高压转子转速百分比，为高压转子转速与发动机最大高压转子转速(53600r/min)的比值。
进一步地，所述发动机的状态信息包括滑油压力。
进一步地，所述发动机的起动时间最长为20s，20s内供油量达到最大限制供油量前点火起动成功则由当前的起动控制规律切换到稳态控制规律。
有益效果
1、本发明的主燃烧室供油量及供油增加率随不同的起动高度进行变化，考虑不同高度时的燃油雾化情况及燃烧室气压情况，适当调整燃油量；不采用辅助设备，而是采用软件控制自适应的方式满足不同高度的点火需求。
2、本发明通过设置占空比，调整不同高度时的预燃室供油，在一个合理的供油变化范围内匹配合理的油气比，以保证点火成功；通过在高空连管试验台，模拟发动机进口及外部环境，保证不同高度时发动机外部环境压力及进口环境压力、温度，进行了发动机点火起动验证试验，对比固定供油量的点火方案，该方案将成功点火高度由2km提升到了5km，也就是实现了发动机在我国域内及世界上大部分使用条件下0－5km高度的可靠点火起动。
附图说明
图1是本发明的发动机点火系统组成和起动原理图；
图2是本发明实施例的发动机起动供油流程图；
图3是本发明发动机起动供油控制规律曲线图；
图4是本发明发动机起动油路占空比控制曲线图；
图5是2Km高度发动机起动验证曲线图；
图6是5Km高度发动机起动验证曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种随高度变化的涡扇发动机预燃室点火起动方法，通过油气比仿真分析结果、预燃室点火试验及整机高空起动试验结果确定了起动控制规律。
如附图1所示，发动机点火起动系统包括电点火系统、数字控制器、起动控制器、起发电机和供油调节器；
其工作原理是：
由起发电机带转高压转子到点火转速，通过发动机状态(转速、滑油压力等)综合判断发动机是否具备点火条件，当判断发动机具备点火条件时，电点火工作、同时起动油路向预燃室供油、主油路向燃烧室供油，电点火工作产生电火花点预燃室内的油气混合物，其火焰点燃燃烧室内的油气混合物，发动机完成点火起动。当发动机转速达到58％以上，切断向预燃室的供油，预燃室及电点火系统停止工作。
符号定义：
qmf＿start起动时刻初始供油量，单位：千克每小时(kg/h)
qmf＿end起动阶段最大限制供油量，单位：千克每小时(kg/h)
vq燃油增长率，每秒增长的单位供油量，单位：千克每小时每秒(kg/h/s)
nh发动机高压转子转速，单位：转每分钟(r/min)
Tt4a发动机涡轮后燃气温度，单位：摄氏度(℃)
H气压高度，单位千米(km)
q起动油路占空比，在一定周期内供油，起动每个周期内按百分比控制供油和断油，单位：百分比
通过油气比仿真分析结果、预燃室点火试验及整机高空起动试验结果确定了起动控制规律。
起动控制规律有两处关键设计：
①随高度变化的总供油量(如图1所示，总供油量包括主燃烧室供油量及预燃室起动油路供油量)，包括：初始供油量以及燃油增长率设计，以适应不同高度的大气环境和由不同温度带来的不同燃油雾化情况下均能有合适的油气比，以提升起动可靠性。为避免发动机起动过程供油过多导致爆燃、超温等情况出现，按高度合理设计最大限制供油量。
起动时间最长为20s，20s内供油量达到最大限制供油量前点火起动成功则由当前的起动控制规律切换到稳态控制规律(稳态控制规律本专利未涉及，不再详述)。若起动时间达到20s，供油量达到最大限制供油量仍未满足起动成功判据(起动成功判据本专利未涉及，不再详述)，则报送起动失败故障报警、停止起动。
起动控制规律具体描述如下：
预置初始供油量(qmf＿start)，当发动机高转转速(nh)比起动时刻增长超过3000r/min或发动机涡轮后燃气温度(Tt4a)比起动时刻增长超过50℃时，按照时间逐步加油，该规律的最大供油限制为(qmf＿end)。不同高度下的供油量按表1进行控制，区间内线性插值。
起动时序及加油速率如图3所示。
以1.5km为例，供油量控制情况计算如下：
初始供油量：
51+(56－51)/(2－1.5)＝53.5kg/h
供油变化率为：
3.1+(3.45－3.1)/(2－1.5)＝3.275(kg/h)/s
最大限制供油量为：
118+(120－118)/(2－1.5)＝119kg/h
20s内起动成功，按切换到稳态控制规律，20s内起动不成功，则最大限制供油量达到119kg/h后停止起动，发出起动失败报警。
表1不同高度的初始油量供油量情况
②起动油路供油周期性控制且一定周期内的供油和断油时间按高度进行调整，由此产生在一定范围内变化的供油量和供油压力，以保证在不同高度均存在合适的油气比，可以保证预燃室点火成功。具体描述为：
起动油路控制规律为当发动机转速
时，起动油路供油，周期为0.6s，在一个周期内，占空比q％的时间供油，1－q％的时间断油。其中q为一个按高度变化的量，变化依据公式(1)。
q＝55－H*6，式中H为高度(0～5km)，单位km……………………公式(1)
按以上供油规律设计后，高度1.5km时的供油情况试验曲线见图4。图中自上而下以此为起动油路油压、占空比控制、起动油路供油量。
按公式(1)，高度为1.5km时，q＝55－1.5*6＝49，也就是供油控制周期为0.6s，在0.6s内49％的时间内供油，51％的时间内断油。由此形成适合1.5km点火的起动油路供油量和供油压力。
以发动机在高度1.5km起动为例，对上述起动控制规律的流程如附图2所示：
按照上述控制规律，进行了试验验证。发动机在0～5km均可可靠、稳定起动，试验曲线见图5和图6。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种随高度变化的涡扇发动机预燃室点火起动方法，其中，发动机点火起动系统包括电点火系统、数字控制器、起动控制器、起发电机和供油调节器；
其特征在于，该方法实现的步骤如下：
步骤一：起动控制器控制起发电机带动高压转子到点火转速，数字控制器通过发动机转速和状态信息综合判断发动机是否具备点火条件，当数字控制器判断发动机具备点火条件时进入下一步否则重新判断；
步骤二：电点火系统工作，同时起动油路和主油路分别向预燃室和燃烧室供油，总供油量随高度变化而变化，起动油路供油周期性控制且一定周期内的供油和断油时间按高度进行调整；电点火系统工作产生电火花点预燃室内的油气混合物，其火焰点燃燃烧室内的油气混合物，发动机完成点火起动；
步骤三：当发动机转速达到58％以上，供油调节器切断向预燃室的供油，预燃室及电点火系统停止工作。
2.根据权利要求1所述的随高度变化的涡扇发动机预燃室点火起动方法，其特征在于，所述步骤二中随高度变化的总供油量包括：预置初始供油量，当发动机高转转速比起动时刻增长超过3000r/min或发动机涡轮后燃气温度比起动时刻增长超过50℃时，按照时间逐步加油，该规律的最大供油限制为(qmf＿end)，不同高度下的供油量按下表进行控制，区间内线性插值；
3.根据权利要求2所述的随高度变化的涡扇发动机预燃室点火起动方法，其特征在于，所述步骤二中起动油路供油周期性控制规律为：当发动机转速
时，单位：转每分钟，，起动油路供油，周期为0.6s，在一个周期内，占空比q％的时间供油，1－q％的时间断油；其中q为一个按高度变化的量，变化依据公式(1)：
q＝55－H＊6……………………公式(1)
式中H为高度(0～5km)，单位km。
4.根据权利要求3所述的随高度变化的涡扇发动机预燃室点火起动方法，其特征在于，所述发动机的状态信息包括滑油压力。
5.根据权利要求4所述的随高度变化的涡扇发动机预燃室点火起动方法，其特征在于，所述发动机的起动时间最长为20s，20s内供油量达到最大限制供油量前点火起动成功则由当前的起动控制规律切换到稳态控制规律。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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