CN114117649A - 一种航空发动机起动供油填充速率设计方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于航空发动机设计领域，为一种航空发动机起动供油填充速率设计方法，通过计算获取高压转子加速率与起动阶段填充速率的表达式，找到高压转子加速率与起动阶段填充速率的对应关系，也即是利用高压转子加速率来计算填充速率，这样获得的填充速率仅受高压转子加速率的影响，不受高压换算转速的影响，能够准确控制填充结束时转速，改善起动填充段的供油一致性，提升起动点火成功率、降低点火造成压气机失速的可能性。同时考虑到填充速率的限制，通过对填充速率计算公式中的系数进行实时更新，保证了填充的一致性，提升了本方法的适应性。

Description

一种航空发动机起动供油填充速率设计方法
技术领域
本申请属于航空发动机设计领域，特别涉及一种航空发动机起动供油填充速率设计方法。
背景技术
基于开式喷嘴的涡轮发动机的起动过程供油一般分为3段：填充段、点火段、加速段。填充段的要求是在发动机达到点火转速时将燃油总管填满。发动机的点火转速需控制在比较小的区间内，以保证良好的点火性能，在此背景下要求填充结束时的转速也被精确控制。
常规的填充段供油规律是将填充速率Wfb描述为高压换算转速nhr的函数。这种供油规律的问题是不同气源压力下完成填充时发动机的转速不一致，从而影响了起动性能的一致性。当气源压力低时，转子加速慢，发动机加速时间较长，因此发动机将在较低的转速下完成填充；当气源压力高时，转子加速快，发动机的填充时间短，发动机将在较高的转速下完成填充。若填充结束时的转速过低，易导致点火后压气机失速；若填充结束时的转速过高，超出燃烧室可靠点火范围，可能导致点火失败。
因此，如何在起动供油时防止出现压气机失速或点火失败是一个需要解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供了一种航空发动机起动供油填充速率设计方法，以解决现有技术中涡轮发动机起动供油时会出现压气机失速或点火失败的问题。
本申请的技术方案是：一种航空发动机起动供油填充速率设计方法，包括：利用燃油填充量m fill 和填充过程中高压转子换算转速的增加量Δn hr 获取高压转子加速率n hr,dot 与起动阶段填充速率W fb 的对应关系，计算填充速率W fb ；选取最大供油能力W fb,max 与填充速率W fb 之间的最小值，确定给定的填充速率W fb,dem ；积分给定的填充速率W fb,dem ，获得当前实际填充量m fill,x ；若由最大供油能力W fb,max 作为最小值切换至填充速率W fb 作为最小值时，则执行下一步骤；否则不执行；进行切换，获得切换时刻高压换算转速n hr,x 和切换时刻已填充的燃油量m fill,x ，按照切换时刻高压换算转速n hr,x 和切换时刻已填充的燃油量m fill,x 计算出新的燃油填充量m fill 和填充过程中高压转子换算转速的增加量Δn hr ；利用新的燃油填充量m fill 和填充过程中高压转子换算转速的增加量Δn hr 重复计算填充速率W fb 和当前实际填充量m fill,x ；迭代计算新的燃油填充量m fill 和填充过程中高压转子换算转速的增加量Δn hr ，直至填充成功或发动机点火成功。
优选地，所述高压转子加速率与起动阶段填充速率的对应关系为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
其中，Δn hr 为填充过程中高压转子换算转速的增加量，m fill 为燃油填充量。
优选地，新的所述燃油填充量m fill 和填充过程中高压转子换算转速的增加量Δn hr 分别为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
其中，m fill,max 为总填充量，m fill,x 为切换时刻已填充的燃油量，n hr,x 为切换时刻高压换算转速；n hr,2 为期望的填充结束转速。
本申请的一种航空发动机起动供油填充速率设计方法，通过计算获取高压转子加速率与起动阶段填充速率的表达式，找到高压转子加速率与起动阶段填充速率的对应关系，也即是利用高压转子加速率来计算填充速率，这样获得的填充速率仅受高压转子加速率的影响，不受高压换算转速的影响，从而能够准确控制填充结束时转速，改善起动填充段的供油一致性，提升起动点火成功率、降低点火造成压气机失速的可能性。同时考虑到填充速率的限制，通过对填充速率计算公式中的系数进行实时更新，保证了填充的一致性，提升了本方法的适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请整体流程示意图；
图2为本申请转子加速率和填充速率积分物理含义示意图；
图3为本申请考虑供油能力限制的填充速率修正示意图。
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例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
一种航空发动机起动供油填充速率设计方法，本申请采用保证起动过程中点火性能一致性的方法来解决起动供油时出现压气机失速或点火失败的问题。
如图1所示，包括如下步骤：
步骤S100，利用燃油填充量m fill 和填充过程中高压转子换算转速的增加量Δn hr 获取高压转子加速率n hr,dot 与起动阶段填充速率W fb 的对应关系，计算填充速率W fb ；
为了能够在给定的转速n hr 下完成燃油填充，设定填充起始和结束的时刻分别为t 1 和t 2 ，则填充过程有如下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（1）
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（2）
中，Δn hr 为填充过程中高压转子换算转速的增加量，由于开始填充和结束填充时的转速为给定值，因此Δn hr 亦为定值，m fill 为燃油填充量，由燃油管路的容积决定，为定值。
（1）式和（2）式右边的积分项分别表示了转子加速率n hr,dot 和填充速率W fb 与时间轴围成的区域的面积，如图2所示，即S ABCD=Δn hr ，S ABEF=m fill 。为了保证起动供油填充的一致性，则需要在给定的Δn hr 和m fill 的情况下合理选定W fb ，使（1）式和（2）式同时成立。
由于高压转子加速率与起动机气源压力相关，而现有的填充速率被描述为n hr 的函数，与n hr,dot 无关。这就导致不同气源压力下完成填充时发动机的转速不一致，从而影响了起动性能的一致性。
为了解决该问题，对（1）式和（2）式左边做归一化处理，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（1a）
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（2a）
不失一般性，可令（1a）式和（2a）式右边积分项相等：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（3）
进一步改写为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（3a）
当按照（3a）式给定起动填充速率时可保证（1）式和（2）式同时成立。其物理含义是按照高压转子加速率自适应调整定填充速率：转子加速率n hr,dot 越高，填充速率W fb 越大，反之亦然，以此可保证在填充结束时n hr 一致，也即是摆脱了高压换算转速n hr 与填充速率W fb 之间的对应关系。
步骤S200，选取最大供油能力W fb,max 与填充速率W fb 之间的最小值，确定给定的填充速率W fb,dem ；
填充速率的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（4）
由基本原理可知，当气源压力较高时，按照（3a）式计算的填充速率也较大，可能超出燃油系统的最大供油能力W fb,max 。在此情况下按照（3a）式计算的填充速率将无法保证起动填充一致性。
基于该问题，首先需要保证计算得到的填充速率超过最大供油能力时，以最大供油能力作为填充速率；在填充速率较大时减少速率，在填充速率较小时对填充速率进行补偿，在保证总填充量固定的前提下，保证填充的一致性。
步骤S300，积分给定的填充速率W fb,dem ，获得当前实际填充量m fill,x ；若由最大供油能力W fb,max 作为最小值切换至填充速率W fb 作为最小值时，则执行下一步骤；否则不执行。
步骤S400，进行切换，获得切换时刻高压换算转速n hr,x 和切换时刻已填充的燃油量m fill,x ，按照切换时刻高压换算转速n hr,x 和切换时刻已填充的燃油量m fill,x 计算出新的燃油填充量m fill 和填充过程中高压转子换算转速的增加量Δn hr ；
新的燃油填充量和填充过程中高压转子换算转速的增加量分别为：
Figure 397167DEST_PATH_IMAGE002
（5）
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（6）
其中，m fill,max 为总填充量，m fill,x 为切换时刻已填充的燃油量，n hr,x 为切换时刻高压换算转速；n hr,2 为期望的填充结束转速。
由公式（3a）可知，当填充速率大于最大供油能力时，新计算得到的m fill 与Δn hr 的比值是增大的，也即是在填充速率受限后，在后续供油过程中对填充速率进行补偿，从而保证了填充的一致性。
步骤S500，重复步骤S100-S400，利用新的燃油填充量m fill 和填充过程中高压转子换算转速的增加量Δn hr 重复计算填充速率W fb 和当前实际填充量m fill,x ；迭代计算新的燃油填充量m fill 和填充过程中高压转子换算转速的增加量Δn hr ，直至填充成功或发动机点火成功。
如图3所示，其中黑虚线代表由（3a）式计算得到的填充速率，黑实线代表由最大供油量限制下的填充速率。若起动的初始阶段填充速率受到限制，则实时的填充量m fill,x 相对按照（3a）式计算速率填充的量更小，这就导致按照（5）式更新的填充量m fill 相对Δn hr 升高，更新后计算的填充速率将升高，从而弥补了由于填充能力限制造成的填充滞后，即图3中Ⅰ区面积SDHG和Ⅱ区面积SCEFG相等。同时，填充速率与时间轴围成的面积仍为给定值的总填充量，即m fill,max =SABCD= SABEFGH。
通过计算获取高压转子加速率与起动阶段填充速率的表达式，找到高压转子加速率与起动阶段填充速率的对应关系，也即是利用高压转子加速率来计算填充速率，这样获得的填充速率仅受高压转子加速率的影响，不受高压换算转速的影响，从而能够准确控制填充结束时转速，改善起动填充段的供油一致性，提升起动点火成功率、降低点火造成压气机失速的可能性。同时考虑到填充速率的限制，利用当前转速和填充量对填充速率计算公式中的系数进行实时更新，保证了填充的一致性，提升了本方法的适应性。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种航空发动机起动供油填充速率设计方法，其特征在于，包括：
利用燃油填充量m fill 和填充过程中高压转子换算转速的增加量Δn hr 获取高压转子加速率n hr,dot 与起动阶段填充速率W fb 的对应关系，计算填充速率W fb ；
选取最大供油能力W fb,max 与填充速率W fb 之间的最小值，确定给定的填充速率W fb,dem ；
积分给定的填充速率W fb,dem ，获得当前实际填充量m fill,x ；若由最大供油能力W fb,max 作为最小值切换至填充速率W fb 作为最小值时，则执行下一步骤；否则不执行；
进行切换，获得切换时刻高压换算转速n hr,x 和切换时刻已填充的燃油量m fill,x ，按照切换时刻高压换算转速n hr,x 和切换时刻已填充的燃油量m fill,x 计算出新的燃油填充量m fill 和填充过程中高压转子换算转速的增加量Δn hr ；
利用新的燃油填充量m fill 和填充过程中高压转子换算转速的增加量Δn hr 重复计算填充速率W fb 和当前实际填充量m fill,x ；迭代计算新的燃油填充量m fill 和填充过程中高压转子换算转速的增加量Δn hr ，直至填充成功或发动机点火成功。
2.如权利要求1所述的航空发动机起动供油填充速率设计方法，其特征在于，所述高压转子加速率n hr,dot 与起动阶段填充速率W fb 的对应关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，Δn hr 为填充过程中高压转子换算转速的增加量，m fill 为燃油填充量。
3.如权利要求1所述的航空发动机起动供油填充速率设计方法，其特征在于，新的所述燃油填充量m fill 和填充过程中高压转子换算转速的增加量Δn hr 分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，m fill,max 为总填充量，m fill,x 为切换时刻已填充的燃油量，n hr,x 为切换时刻高压换算转速；n hr,2 为期望的填充结束转速。
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