CN114017380A - 一种压气机进口总温重构及可调叶片扩稳控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于发动机控制技术领域，具体涉及一种压气机进口总温重构及可调叶片扩稳控制方法。压气机进口总温重构方法包括：步骤S1、获取发动机进口总温；步骤S2、通过对多个采样周期的发动机进口总温求取平均值的方式进行总温滤波；步骤S3、根据滤波后的发动机进口总温确定风扇换算转速；步骤S4、利用风扇温升特性，插值获得与所述风扇换算转速对应的温比，所述温比是指压气机进口总温与发动机进口总温的比值；步骤S5、根据所述温比重构压气机进口总温。本申请不需增加压气机进口温度测点，同时能够规避进气温度畸变发生时，压气机进口总温传感器响应滞后的问题，提高了发动机的工作稳定性。

Description

一种压气机进口总温重构及可调叶片扩稳控制方法

技术领域

本申请属于发动机控制技术领域，具体涉及一种压气机进口总温重构及可调叶片扩稳控制方法。

背景技术

发动机进口进气压力或温度在空间存在不均匀度时，会显著影响压气机特性变化，其中最重要的是影响喘振边界的降低。

飞机起飞时某些工况下，飞机进气道会吸入发动机尾气，进气道出口产生温度畸变，降低了发动机稳定裕度，严重的进气温度畸变会造成压气机稳定裕度不足，发生喘振，造成飞机起飞推力瞬间下降，进而导致事故。

压气机设计阶段，为了满足高推力会要求高压比，而兼顾稳定性则会降低压比降低工作线，保留一定的稳定裕度，因此考虑上述两个需求进行一个折衷设计。当发动机作为产品交付使用后，为了适应各种使用场景，需要识别不同的工作状态，进行压气机可调叶片角度寻优控制策略，调整压气机可调叶片角度，保证工作线一致的条件下，改变压气机喘振边界，从而缓解在进气畸变时，工作稳定裕度不足的问题。

目前现有技术方案采用数控系统的发动机是利用压气机进口总温测点T₂₅，计算获得压气机换算转速(n_2R25)，利用控制系统给定的几何可调导叶角度和压气机换算转速的关系即a2＝f(n_2R25)，执行角度闭环控制。由于压气机进口总温测点位置布局受限且总温传感器存在时间响应常数，不能及时捕获到测点真实温度，也无法获得不均匀温度场工况下的截面平均温度，因此当进气总温处于低温区时，计算得到的换算转速高，导致压气机角度偏开控制，压气机稳定裕度降低，严重时达到喘振边界。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种压气机进口总温重构及可调叶片扩稳控制方法，利用发动机进口温度重构压气机换算转速，利用重构压气机换算转速进行温度畸变工况时压气机角度控制。

本申请第一方面提供了一种压气机进口总温重构方法，主要包括：

步骤S1、获取发动机进口总温；

步骤S2、通过对多个采样周期的发动机进口总温求取平均值的方式进行总温滤波；

步骤S3、根据滤波后的发动机进口总温确定风扇换算转速；

步骤S4、利用风扇温升特性，插值获得与所述风扇换算转速对应的温比，所述温比是指压气机进口总温与发动机进口总温的比值；

步骤S5、根据所述温比重构压气机进口总温。

优选的是，步骤S1中，发动机进气总温为多个测温点所测温度中的最大值。

优选的是，所述测温点至少包括布置在发动机进口截面的底部的第一测点，及左右两侧的第二测点与第三测点。

优选的是，步骤S5之后，进一步包括：

步骤S6、根据所述压气机进口总温确定压气机换算转速；

步骤S7、根据所述压气机换算转速进行压气机可调叶片角度调节。

优选的是，所述风扇温升特性通过发动机台架试验获取。

本申请第二方面提供了一种飞机压气机可调叶片扩稳控制方法，采用如上重构的压气机进口总温进行发动机温升状态的叶片角度调节，所述步骤包括：

确定所述发动机处于温升状态；

按照指定变化速率进行压气机角度控制切换；

根据重构的压气机进口总温进行压气机可调叶片角度调节。

优选的是，确定所述发动机温升状态的步骤包括：

确定所述重构的压气机进口总温相比于原压气机进口总温测量值的偏差，若所述偏差大于第一设定值，则判定所述发动机处于温升状态；或者采集同一时刻发动机进口总温的多个测点总温值，若其中的最大值与最小值的差值大于第二设定值，则判定所述发动机处于温升状态。

优选的是，按照指定变化速率进行压气机角度控制切换包括：

当(α_(t＝2)-α_(t＝1))/Δt≤v，直接切换；

当(α_(t＝2)-α_(t＝1))/Δt＞v，按照v/s速率进行切换，即α_(t＝2)＝α_(t＝1)+v*Δt；

其中，Δt为控制系统计算一周期的时间，v为指定变化速率，α_(t＝2)为变化后的压气机叶片角度，α_(t＝1)为变化前的压气机叶片角度。

本申请不需增加压气机进口温度测点，同时能够规避进气温度畸变发生时，压气机进口总温传感器响应滞后的问题，提出的新的重构方法控制压气机工作，提高了发动机的工作稳定性。

附图说明

图1为本申请压气机进口总温重构方法的流程图。

图2为本申请图1所示实施例的进气总温测点示意图。

图3为本申请图1所示实施例的风扇温升特性示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请第一方面提供了一种压气机进口总温重构方法，如图1所示，主要包括：

步骤S1、获取发动机进口总温；

步骤S2、通过对多个采样周期的发动机进口总温求取平均值的方式进行总温滤波；

步骤S3、根据滤波后的发动机进口总温确定风扇换算转速；

步骤S4、利用风扇温升特性，插值获得与所述风扇换算转速对应的温比，所述温比是指压气机进口总温与发动机进口总温的比值；

步骤S5、根据所述温比重构压气机进口总温。

在一些可选实施方式中，步骤S1中，发动机进气总温为多个测温点所测温度中的最大值。

在一些可选实施方式中，所述测温点至少包括布置在发动机进口截面的底部的第一测点，及左右两侧的第二测点与第三测点。

如图2所示，本申请为了及时获取进气总温，识别发动机配装对象使用场景以及不同总温畸变发生时可遇到的温度场特征，考虑尾气吸入、风环境、机场设备等因素影响，评估不同装机对象以及发动机结构可实现的测点布局及测点数量，获取可实现的总温信号T₁；

在步骤S1中，获取发动机进气总温T₁；(T₁＝max(T_1-1,T_1-2,T₁-3……))，单位(K)；

在步骤S2中，对步骤S1中输出的总温进行滤波：

其中t表示采样时间，n表示第n个采样周期；

可以理解的是，为避免由于高温气流不稳定造成进气温度急剧变化，导致的压气机控制参数瞬时变化，压气机角度控制变化突变，恶化压气机进口流场，对总温测试值进行滤波处理，同时对压气机角度控制切换进行淡化要求。

在步骤S3中，利用进气总温T₁计算获得风扇换算转速n_1R：n_1R＝n₁/(T₁/288.15)^0.5；

在步骤S4中，利用风扇温升特性，插值获得n_1R对应的(T₂₅/T₁)_特性；

在步骤S5中，根据所述温比重构压气机进口总温：T₂₅＝T₁*(T₂₅/T₁)_特性*k；

式中：k为风扇后内涵和外涵温度特性修正系数,该系数由风扇通过部件或整机试验获得；T₁为第2条中获得的温度值，单位(K)。

需要说明的是，发动机稳态时，风扇工作线不变，风扇温升特性与低压换算转速关系一定。根据整机或部件试验获得风扇温升特性，见图3，考虑到生产加工以及性能衰退等因素影响，同一低压换算转速对应的风扇温升比是一个一定范围的控制带。基于风扇温升特性一定，可以利用进气温度和温升特性，获得风扇后总温，考虑风扇出口内涵和外涵效率，修正获得内涵出口总温，即压气机进口总温。

本实施例中，所述风扇温升特性通过发动机台架试验获取。

在一些可选实施方式中，步骤S5之后，进一步包括：

步骤S6、根据所述压气机进口总温确定压气机换算转速；

步骤S7、根据所述压气机换算转速进行压气机可调叶片角度调节。

在步骤S6中，n_2R25＝n₂*(T₂₅/T_25D)^0.5；式中：n₂为发动机高压物理转速实测值；T_25D取决于发动机设计点参数，由发动机方案计算获得，单位(K)。

在步骤S7中，重构获取新的n_2R25后，按照a2＝f(n_2R25)进行a2控制。

本申请第二方面提供了一种飞机压气机可调叶片扩稳控制方法，采用如上重构的压气机进口总温进行发动机温升状态的叶片角度调节，所述步骤包括：

确定所述发动机处于温升状态；

按照指定变化速率进行压气机角度控制切换；

根据重构的压气机进口总温进行压气机可调叶片角度调节。

首选需要说明的是，发动机吸入高温尾气时，发动机状态会出现短时变化，加速过程风扇工作点较稳态工作点低，同一风扇换算转速，压比降低，效率降低，综合影响风扇出口温度与稳态相当。因此基于风扇温升特性重构压气机进口温度适用于过渡态。

π_f＝f(n_1R)；

η_f＝f(n_1R)；

T₂₅＝T₁*(1+(π_f ^(k-1)/k-1)/η_f。

虑到进气温度场不确定性，进气总温如果位于温度场最高温附近，会导致重构T₂₅相对截面平均温度偏差较大，导致压气机角度控制偏离真实预期的角度，从而影响发动机性能。为兼顾稳定性和发动机性能，提出按照T₂₅重构后控制角度时的控制限制。

在一些可选实施方式中，确定所述发动机温升状态的步骤包括：

确定所述重构的压气机进口总温相比于原压气机进口总温测量值的偏差，若所述偏差大于第一设定值，则判定所述发动机处于温升状态；或者采集同一时刻发动机进口总温的多个测点总温值，若其中的最大值与最小值的差值大于第二设定值，则判定所述发动机处于温升状态。

本实施例中，第一设定值和第二设定值依据发动机自身剩余稳定裕度进行设计，并通过整机验证进行优化和最终确认。

其中，同一时刻发动机进口总温的多个测点总温值中的最大值T_1max与最小值T_1min满足以下函数：

T_1max＝f(max(T_1-1,T_1-2,T₁-3……))；

T_1min＝f(min(T_1-1,T_1-2,T_1-3……))。

满足进气温升状态时，认为发动机进口存在进气温度畸变，将重构的压气机进口总温投入控制策略中。

在一些可选实施方式中，按照指定变化速率进行压气机角度控制切换包括：

当(α_(t＝2)-α_(t＝1))/Δt≤v，直接切换；

当(α_(t＝2)-α_(t＝1))/Δt＞v，按照v/s速率进行切换，即α_(t＝2)＝α_(t＝1)+v*Δt；

其中，Δt为控制系统计算一周期的时间，v为指定变化速率，α_(t＝2)为变化后的压气机叶片角度，α_(t＝1)为变化前的压气机叶片角度。

本申请是基于发动机进口测试T₁及风扇温升特性一定的特点，利用温升特性，重构压气机进口总温，并利用重构获得的压气机进口总温重构压气机换算转速n_2R25，利用重构后n_2R25进行压气机导叶角度控制。本发明不需增加压气机进口温度测点，同时能够规避进气温度畸变发生时，压气机进口总温传感器响应滞后的问题，同时提出新的重构方法控制压气机工作，从而提高发动机的工作稳定性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本申请作了详尽的描述，但在本申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本申请精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本申请要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种压气机进口总温重构方法，其特征在于，包括：

步骤S1、获取发动机进口总温；

步骤S2、通过对多个采样周期的发动机进口总温求取平均值的方式进行总温滤波；

步骤S3、根据滤波后的发动机进口总温确定风扇换算转速；

步骤S4、利用风扇温升特性，插值获得与所述风扇换算转速对应的温比，所述温比是指压气机进口总温与发动机进口总温的比值；

步骤S5、根据所述温比重构压气机进口总温。

2.如权利要求1所述的压气机进口总温重构方法，其特征在于，步骤S1中，发动机进气总温为多个测温点所测温度中的最大值。

3.如权利要求2所述的压气机进口总温重构方法，其特征在于，所述测温点至少包括布置在发动机进口截面的底部的第一测点，及左右两侧的第二测点与第三测点。

4.如权利要求1所述的压气机进口总温重构方法，其特征在于，步骤S5之后，进一步包括：

步骤S6、根据所述压气机进口总温确定压气机换算转速；

步骤S7、根据所述压气机换算转速进行压气机可调叶片角度调节。

5.如权利要求1所述的压气机进口总温重构方法，其特征在于，所述风扇温升特性通过发动机台架试验获取。

6.一种飞机压气机可调叶片扩稳控制方法，其特征在于，采用如权利要求1重构的压气机进口总温进行发动机温升状态的叶片角度调节，所述步骤包括：

确定所述发动机处于温升状态；

按照指定变化速率进行压气机角度控制切换；

根据重构的压气机进口总温进行压气机可调叶片角度调节。

7.如权利要求6所述的飞机压气机可调叶片扩稳控制方法，其特征在于，确定所述发动机温升状态的步骤包括：

确定所述重构的压气机进口总温相比于原压气机进口总温测量值的偏差，若所述偏差大于第一设定值，则判定所述发动机处于温升状态；或者采集同一时刻发动机进口总温的多个测点总温值，若其中的最大值与最小值的差值大于第二设定值，则判定所述发动机处于温升状态。

8.如权利要求6所述的飞机压气机可调叶片扩稳控制方法，其特征在于，按照指定变化速率进行压气机角度控制切换包括：

当(α_(t＝2)-α_(t＝1))/Δt≤v，直接切换；

当(α_(t＝2)-α_(t＝1))/Δt＞v，按照v/s速率进行切换，即α_(t＝2)＝α_(t＝1)+v*Δt；

其中，Δt为控制系统计算一周期的时间，v为指定变化速率，α_(t＝2)为变化后的压气机叶片角度，α_(t＝1)为变化前的压气机叶片角度。

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