CN115680903B - 可回收旁路引气控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的可回收旁路引气控制方法，属于高马赫数航空发动机控制技术领域，至少部分解决现有技术中的控制效率较低的技术问题。获取机载实时的马赫数，判断是否超过马赫数的预设值，如是，指令所述压气机至少为4级出口通过旁路引气的方式向加力燃烧室输送气体；获取无极开关的总开关量，并将所述总开关量分为不同的工作状态；实时获取发动机转速、压气机导叶角度和发动机进口温度，在无极开关不同的工作状态下对喉道面积和/或压气机出口工作参数和/或加力燃烧室的参数进行调节，提高发动机的控制效率，避免多变量耦合降低压气机稳定性的情况出现，以提高发动机的控制效率。
Description
技术领域
本发明属于高马赫数航空发动机控制技术领域，尤其涉及一种可回收旁路引气控制方法。
背景技术
带可回收旁路引气的航空发动机具有两种工作模式：涡轮模式和旁路引气模式。为提升大马赫数飞行时发动机和飞/发匹配性能，需要将涡轮模式切换至旁路引气模式。在两种工作模式转换过程中必须确保飞机工作平稳，所以使用哪种控制规律至关重要。针对航空发动机的控制，目前通常使用PID控制算法实现发动机转速、燃油流量和变几何调节机构位置的控制，但在带可回收旁路引气的发动机中，这类控制方法无法有效解决多变量之间耦合的问题，尤其是在实际工程中，两种工作模式切换过程中各几何可调机构需在短时间内进行大幅度的调整，各部件稳定点会发生大范围移动，发动机稳定性急剧变化；除考虑超转、超温、喘振、贫富油熄火、气动稳定性等传统约束外，控制规律设计还须兼顾模式转换过程中可能出现的燃气倒灌和燃烧不稳定控制新约束。因此，研究带可回收旁路引气的发动机模式转换控制规律实现方法具有重要意义。
目前发动机模式转换过程中的研究都还基本停留在数值计算和建模仿真等理论研究阶段，大多数都研究发动机模式转换前后的两种状态的稳态性能差异和对发动机性能参数影响分析，还没有在实际工程应用中成功解决模式转换过程中遇到的控制参数耦合和稳定性问题，更没有控制规律具体实现方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可回收旁路引气控制方法，至少部分解决现有技术中的控制效率较低的技术问题。
提供一种可回收旁路引气控制方法，适用于可调喷管加力的涡轮发动机，使用压气机进行输气，压气机包括多级出口，受控制器控制达预设工况时通过旁路引气的方式，将部分气源输送至加力燃烧室，旁路引气的管路上设置有无极开关，未达到预设值时，压气机按指令的出口向主燃烧室和涡轮输气；涡轮发动机的喷口喉道位置设置有变几何调节结构，所述方法包括：
获取机载实时的马赫数，判断是否超过马赫数的预设值，如是，指令所述压气机至少为4级出口通过旁路引气的方式向加力燃烧室输送气体；
获取无极开关的总开关量，并将所述总开关量分为不同的工作状态；
实时获取发动机转速、压气机导叶角度和发动机进口温度，在无极开关不同的工作状态下对喉道面积和/或压气机出口工作参数和/或加力燃烧室的参数进行调节，提高发动机的控制效率，避免多变量耦合降低压气机稳定性的情况出现。
本发明的技术有益效果：
并将所述总开关量分为不同的工作状态，不同状态下共同控制压气机和发动机的工作参数，实现以下技术效果：
1)实现带可回收旁路引气的发动机模式转换过程超温保护控制；
2)采用变几何可调机构分时分步调节的方法，避免了多变量之间耦合的问题；
3)采用对变几何可调机构速率限制的方法，解决了模式转换过程中扰动的问题；
4）采用对变几何可调机构设计多组控制规律的方法，实现了两种模式的稳态控制。
5)采用根据旁路引气位置划分旁路引气工作状态的方法，实现各变几何可调机构按照旁路引气工作状态完成不同控制规律间的切换，解决了带可回收旁路引气的发动机模式切换过程中的稳定性问题。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为发动机旁路引气的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，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例，都属于本公开保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
如图1所示的可回收旁路引气的控制方法，适用于可调喷管加力的涡轮发动机，使用压气机进行输气，压气机包括多级出口（一般的为7级出口），受控制器控制达预设工况时通过旁路引气的方式，将部分气源输送至加力燃烧室，旁路引气的管路上设置有无极开关，未达到预设值时，压气机按指令的出口向主燃烧室和涡轮输气；涡轮发动机的喷口喉道位置设置有变几何调节结构，所述方法包括：
获取机载实时的马赫数，判断是否超过马赫数的预设值（2.3马赫数），如是，指令压气机至少为4级出口通过旁路引气的方式向加力燃烧室输送气体；
获取无极开关的总开关量，并将总开关量分为不同的工作状态；
实时获取发动机转速、压气机导叶角度和发动机进口温度，在无极开关不同的工作状态下对喉道面积和/或压气机出口工作参数和/或加力燃烧室的参数进行调节，提高发动机的控制效率，避免多变量耦合降低压气机稳定性的情况出现。
具体的：将总开关量分为不同的工作状态的方法包括：
一般的，无极开关的开关量为0mm-30mm，包括由关至开的过程和有开至关的过程，按开关的状态分为：
将由关至开的过程中：0mm-1mm定义为第一开状态，1mm-29mm定义为第二开状态，29mm-30mm定义为第三开状态；
将由开至关的过程中：29mm-30mm定义为第一关状态，1mm-29mm定义为第二关状态，0mm-1mm定义为第三关状态，如表一所示。
表一
发动机包括液压作动系统，液压作动系统控制变几何调节结构对喷口喉道面积的调节，上述中的在无极开关不同的工作状态下对喉道面积和/或压气机出口工作参数进行调节的方法包括，参见表二：
表二
1）第一开状态至第二开状态的转换过程中按A1、B1和C1三种变换关系做相应的调整，优选的，为同时调整，其中：
A1、根据发动机换算转速与压气机导叶角度的关系，获取当前状态下压气机的转速，通过插值确定液压作动系统的输出角度，根据输出的角度对当前液压作动系统进行调整；
B1、获取进口温度，根据发动机进口温度与喉道面积的关系，确定当前喉道的标准面积，控制液压作动系统以调整当前喉道面积与标准面积相同；
C1、获取发动机当前状态下油门杆角度、进口温度和压气机出口压力，根据发动机下油门杆角度、进口温度、压气机出口压力与发动机供油量关系，通过插值确定发动机当前的标准供油量，调整发动机当前的供油量与标准供油量相同。
2）第二开状态至第三开状态的转换过程中按A2、B1和C1三种变换关系做相应的调整，其中：
A2：获取无极开关当前的开关度，根据旁路引气开度与压气机导叶角度的关系，确定压气机导叶角度标准值，调整压气机当前导叶角度与压气机导叶角度标准值相同；
B1: 获取当前状态发动机的总增压比和进口温度，根据发动机进口温度、发动机总增压比与喉道面积的关系，确定当前喉道的标准面积，调整当前喉道面积与标准面积相同;
C1：获取发动机当前状态下油门杆角度、进口温度和压气机出口压力，根据发动机下油门杆角度、进口温度、压气机出口压力与发动机供油量关系，通过插值确定发动机当前的标准第一供油量，调整发动机当前的供油量与标准第一供油量相同。
3）第三关状态至第二关状态的转换过程中按A3、B2和C2三种变换关系做相应的调整，其中：
A3：根据发动机换算转速与压气机导叶角度的关系，获取当前状态下压气机的转速，通过插值确定液压作动系统的输出角度，根据输出的角度对当前液压作动系统进行调整；
B2：获取当前状态发动机进口压力和涡轮后压力确定当前的总增压比及获取发动机进口温度，根据发动机进口温度、发动机总增压比与喉道面积的关系，确定当前喉道的标准面积，调整当前喉道面积与标准面积相同；
C2：获取发动机当前进口温度、油门杆角度和压气机出口压力，根据发动机下油门杆角度、进口温度、压气机出口压力与发动机供油量关系，通过插值确定发动机当前的标准第二供油量，调整发动机当前的供油量与标准第二供油量相同。
4）第二关状态至第一关状态的转换过程中按A2、B2和C1三种变换关系做相应的调整，其中：
A2：获取无极开关当前的开关度，根据旁路引气开度与压气机导叶角度的关系，确定压气机导叶角度标准值，调整压气机当前导叶角度与压气机导叶角度标准值相同；
B2：获取当前状态发动机进口压力和涡轮后压力确定当前的总增压比及获取发动机进口温度，根据发动机进口温度、发动机总增压比与喉道面积的关系，确定当前喉道的标准面积，调整当前喉道面积与标准面积相同
C1：获取发动机当前状态下油门杆角度、进口温度和压气机出口压力，根据发动机下油门杆角度、进口温度、压气机出口压力与发动机供油量关系，通过插值确定发动机当前的标准第一供油量，调整发动机当前的供油量与标准第一供油量相同。
上述中的标准第一供油量和标准第二供油量的确定，根据发动机进口温度不同所选择三维插值表的系数不同，例如，进口温度的系数分界线为300C°,分界线之前和之后所选取的系数不同，所确定供油量数值也不相同。
以上内容参见表三：
表三
按不同的转换状态，上述总共4种转换状态，且每个转换状态分为三种控制规律，且同时执行，以分时分布的方式解决多变量耦合，在共同工作时，因变量多不好控制，致使压气机稳定裕度降低，更好的避免了发动机喘振带来的影响。
可回收旁路引气的发动机，根据需求可增加变几何可调机构控制规律，该方法同样适用于其它变循环航空发动机。所述几何调节机构具有相对应的控制规律，其中压气机导叶角度、喷管喉道面积和加力燃油流量均使用多组不同控制规律，分别与带可回收旁路引气的发动机两种工作模式相对应，通过多组控制规律保证发动机在两种模式下的工作状态均达到最优；上述变几何调节机构在控制过程中按照时序分步作动，其相关性决定了模式转换过程发动机的稳定性，其指模式转换前后发动机性能参数不出现突然增加和减小的现象，同时确保发动机转换前后不出现较大的参数差异，本发明根据压气机稳定性要求执行，所述发动机模态转换控制规律包含发动机变几何可调机构和加力燃油流量等控制规律，涡轮模式和旁路引气模式控制规律的切换按照旁路引气位置来控制，从而保证模式转换过程中发动机的性能稳定。本发明在满足带可回收旁路引气的发动机工程应用及试验验证中各状态下模式转换过程安全控制及控制精度方面有显著优势。
以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种可回收旁路引气的控制方法，适用于可调喷管加力的涡轮发动机，使用压气机进行输气，压气机包括多级出口，受控制器控制达预设工况时通过旁路引气的方式，将部分气源输送至加力燃烧室，旁路引气的管路上设置有无极开关，未达到预设值时，压气机按指令的出口向主燃烧室和涡轮输气；涡轮发动机的喷口喉道位置设置有变几何调节结构，其特征在于，所述方法包括：
获取机载实时的马赫数，判断是否超过马赫数的预设值，如是，指令所述压气机至少为4级出口通过旁路引气的方式向加力燃烧室输送气体；
获取无极开关的总开关量，并将所述总开关量分为不同的工作状态；
实时获取发动机转速、压气机导叶角度和发动机进口温度，在无极开关不同的工作状态下对喉道面积和/或压气机出口工作参数和/或加力燃烧室的参数进行调节，提高发动机的控制效率，避免多变量耦合降低压气机稳定性的情况出现。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，将所述总开关量分为不同的工作状态的方法包括：
无极开关的开关量为0mm-30mm，包括由关至开的过程和有开至关的过程，其中：
将由关至开的过程中：0mm-1mm定义为第一开状态，1mm-29mm定义为第二开状态，29mm-30mm定义为第三开状态；
将由开至关的过程中：29mm-30mm定义为第一关状态，1mm-29mm定义为第二关状态，0mm-1mm定义为第三关状态。
3.根据权利要求2所述的控制方法，发动机包括液压作动系统，其特征在于，液压作动系统控制所述变几何调节结构对喷口喉道面积的调节，所述在无极开关不同的工作状态下对喉道面积和/或压气机出口工作参数进行调节的方法包括：
第一开状态至第二开状态的转换过程中按A1、B1和C1三种变换关系做相应的调整，其中：
A1、根据发动机换算转速与压气机导叶角度的关系，获取当前状态下压气机的转速，通过插值确定液压作动系统的输出角度，根据输出的角度对当前液压作动系统进行调整；
B1、获取进口温度，根据发动机进口温度与喉道面积的关系，确定当前喉道的标准面积，控制液压作动系统以调整当前喉道面积与所述标准面积相同；
C1、获取发动机当前状态下油门杆角度、进口温度和压气机出口压力，根据发动机下油门杆角度、进口温度、压气机出口压力与发动机供油量关系，通过插值确定发动机当前的标准供油量，调整发动机当前的供油量与所述标准供油量相同。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，还包括第二开状态至第三开状态的转换过程中按A2、B1和C1三种变换关系做相应的调整，其中：
A2：获取无极开关当前的开关度，根据旁路引气开度与压气机导叶角度的关系，确定压气机导叶角度标准值，调整压气机当前导叶角度与压气机导叶角度标准值相同；
B1: 获取当前状态发动机的总增压比和进口温度，根据发动机进口温度、发动机总增压比与喉道面积的关系，确定当前喉道的标准面积，调整当前喉道面积与所述标准面积相同;
C1：获取发动机当前状态下油门杆角度、进口温度和压气机出口压力，根据发动机下油门杆角度、进口温度、压气机出口压力与发动机供油量关系，通过插值确定发动机当前的标准第一供油量，调整发动机当前的供油量与所述标准第一供油量相同。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，还包括第三关状态至第二关状态的转换过程中按A3、B2和C2三种变换关系做相应的调整，其中：
A3：根据发动机换算转速与压气机导叶角度的关系，获取当前状态下压气机的转速，通过插值确定液压作动系统的输出角度，根据输出的角度对当前液压作动系统进行调整；
B2：获取当前状态发动机进口压力和涡轮后压力确定当前的总增压比及获取发动机进口温度，根据发动机进口温度、发动机总增压比与喉道面积的关系，确定当前喉道的标准面积，调整当前喉道面积与所述标准面积相同；
C2：获取发动机当前进口温度、油门杆角度和压气机出口压力，根据发动机下油门杆角度、进口温度、压气机出口压力与发动机供油量关系，通过插值确定发动机当前的标准第二供油量，调整发动机当前的供油量与所述标准第二供油量相同。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括第二关状态至第一关状态的转换过程中按A2、B2和C1三种变换关系做相应的调整，其中：
A2：获取无极开关当前的开关度，根据旁路引气开度与压气机导叶角度的关系，确定压气机导叶角度标准值，调整压气机当前导叶角度与压气机导叶角度标准值相同；
B2：获取当前状态发动机进口压力和涡轮后压力确定当前的总增压比及获取发动机进口温度，根据发动机进口温度、发动机总增压比与喉道面积的关系，确定当前喉道的标准面积，调整当前喉道面积与所述标准面积相同
C1：获取发动机当前状态下油门杆角度、进口温度和压气机出口压力，根据发动机下油门杆角度、进口温度、压气机出口压力与发动机供油量关系，通过插值确定发动机当前的标准第一供油量，调整发动机当前的供油量与所述标准第一供油量相同。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述标准第一供油量和标准第二供油量的确定，根据发动机进口温度不同所选择三维插值表的系数不同。
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