CN116220920A - 一种燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法。首先在燃气发生器轴上加装电机，然后建立燃气涡轮发动机仿真模型；通过燃气涡轮发动机仿真模型获得不同飞行马赫数下，排气温度、推力与电机功率之间的对应关系。在需要调整发动机排气温度和红外特性的瞬间，通过控制电机的输入功率或提取功率，从而调整进气流量和油气比，进而主动控制排气温度和红外辐射，实现对红外特性的准确模拟。

Description

一种燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机红外抑制技术领域，尤其涉及一种燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法。

背景技术

各类飞机和直升机大多采用燃气涡轮发动机作为动力源，发动机高温排气使得飞机现代和直升机广泛面临红外制导武器的威胁。因此，如何降低燃气涡轮发动机排气道/尾喷管红外辐射成为了研究热点。目前的研究大多从排气道/尾喷管材料及其外形设计的角度降低红外辐射。

对于船用燃气涡轮发动机，由于排气流量大，其高温排气不但会影响红外隐身性能，对于设备、船员工作环境和船舶总体设计均有负面影响，因此，船用燃气涡轮发动机同样面临降低排气红外辐射和温度的迫切需求。

作为检验武器性能的重要工具，靶标需要模拟威胁目标的红外特性。由于威胁目标的多样性，靶标的红外辐射并不是越低越好，其需要一种发动机排气红外控制技术，能够灵活调整发动机排气的红外辐射以实现对不同目标红外特性的准确模拟。

发明内容

本发明通过提供一种燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法，能够灵活调整发动机排气的红外辐射以实现对不同目标红外特性的准确模拟。

本发明提供了一种燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法，包括：

建立燃气涡轮发动机仿真模型；

通过所述燃气涡轮发动机仿真模型获得不同飞行马赫数下，排气温度、推力与电机功率之间的对应关系；

基于所述对应关系插值获得燃气发生器轴电机功率，对排气温度进行控制。

具体来说，所述建立燃气涡轮发动机仿真模型，包括：

通过部件特性实验或三维流体计算获得压气机、涡轮以及尾喷管部件特性，在此基础上构建流量连续性方程、功率平衡方程以及压比膨胀比方程组，通过牛顿-拉夫森法求解上述非线性方程组，确定各部件共同工作点，在此基础上结合燃气热力性质计算方法，建立所述燃气涡轮发动机仿真模型。

具体来说，在所述通过所述燃气涡轮发动机仿真模型获得不同飞行马赫数下，排气温度、推力与电机功率之间的对应关系之后，还包括：

确定不同飞行马赫数和发动机推力工况下，电机功率的上下限。

具体来说，所述确定不同飞行马赫数和发动机推力工况下，电机功率的上下限，包括：

分别计算不同飞行马赫数和不同发动机推力工况下，调整电机功率，观察压气机出口压力、燃烧室出口总温、燃气发生器转速和压气机喘振裕度随所述电机功率的变化，确定所述电机功率的上下限。

具体来说，所述基于所述对应关系插值获得燃气发生器轴电机功率，对排气温度进行控制，包括：

基于所述对应关系插值出不同的燃气发生器轴电机功率，将所述不同的燃气发生器轴电机功率作为控制信号输出到电机，对排气温度进行控制。

具体来说，还包括：通过燃油流量对发动机推力进行闭环控制。

具体来说，所述通过燃油流量对发动机推力进行闭环控制，包括：

根据大气温度、压力、飞行马赫数、折合转速、电机功率计算当前发动机推力，将所述推力作为反馈信号通过调节燃油流量实现对推力的闭环控制。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

首先在燃气发生器轴上加装电机，然后建立燃气涡轮发动机仿真模型；通过燃气涡轮发动机仿真模型获得不同飞行马赫数下，排气温度、推力与电机功率之间的对应关系。在需要调整发动机排气温度和红外特性的瞬间，通过控制电机的输入功率或提取功率，从而调整进气流量和油气比，进而主动控制排气温度和红外辐射，实现对红外特性的准确模拟。

此外，本发明还具有以下优点：

(1)通过调节燃气发生器电机输入功率或提取功率，控制进气流量和油气比，从而在维持发动机推力不变的情况下灵活调节燃气涡轮发动机排气温度和红外辐射。

(2)通过进行仿真模拟，能够验证基于混合电推进的燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法的有效性。

附图说明

图1为本发明实施例中的单轴涡喷发动机的结构简图；

图2为发动机进气流量与电机输出功率之间的对应关系曲线；

图3为发动机油气比与电机输出功率之间的对应关系曲线；

图4为本发明实施例提供的燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法的流程图；

图5为压气机共同工作点与电机输出功率之间的对应关系曲线；

图6为燃烧室出口温度与电机输出功率之间的对应关系曲线；

图7为本发明实施例提供的燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法的控制原理图；

图8为采用本发明实施例提供的燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法后，发动机排气温度与电机输出功率之间的对应关系曲线。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法，能够灵活调整发动机排气的红外辐射以实现对不同目标红外特性的准确模拟。

本发明实施例中的技术方案为实现上述技术效果，总体思路如下：

本发明实施例利用混合电推进技术在燃气发生器轴上加装电机，参见图1，电机与燃气发生器轴机械连接，电机转速与燃气发生器轴定速比传动，既可通过电机从燃气发生器轴上提取功率，也可通过电机做功向燃气发生器轴提供功率，与涡轮一起驱动压气机。通过向压气机转子输入/提取功率增加/减小进气流量、减小/增加油气比，从而达到降低/提高排气温度和红外辐射的目的，如图2和图3所示。在排气温度控制规律设计过程中，本发明实施例利用仿真模型/发动机台架试验，确定在不同发动机工况和飞行条件下电机的输出功率。通过本发明实施例提供的燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法，能够在保证发动机输出功率/推力不变的情况下，有效地对燃气涡轮发动机高温排气产生的红外辐射进行控制。

具体地，在排气温度控制规律确定过程中，发动机排气温度(T8)、发动机推力(FN)，对于涡轴发动机或燃气轮机则为输出轴功率(Pow)与电机输出功率(Pe)的对应关系是在不同Ma的情况下分别确认的，Ma对T8、FN(或Pow)与Pe的对应关系有直接影响。且上述T8、FN、POW、Pe均为折合参数，使用时需要换算到当前发动机进口条件下的实际参数。

本发明实施例中的燃气涡轮发动机高精度仿真模型为部件级仿真模型，基于部件气动特性，通过求解功率平衡方程和流量连续性方程建立，能够模拟计算发动机各截面温度和压力、推力(对于涡轴发动机/燃气轮机则为输出轴功率)、转速、压气机喘振裕度、部件共同工作点，能够模拟不同大气环境和飞行条件下，发动机工况随燃气发生器轴电机功率的变化。

借助机载模型预测发动机推力(或输出功率)，利用目标折合排气温度(T8cor)、折合推力(或折合输出功率)和飞行马赫数(Ma)和插值排气温度控制规律，从而确定所需的电机功率。当所需的电机功率超出制定的电机功率上下限范围时，电机按照相应的上限/下限输出功率，以防止发动机超限。

在电机功率上下限的确定过程中，为将确定结果推广到不同的发动机进口条件，发动机推力(或输出功率)、电机功率，压气机出口压力、燃烧室出口温度均按照折合参数计算。控制系统计算电机功率过程中，将电机功率上下限换算到当前发动机进口条件下的实际参数使用。电机功率上下限的确定可以保证发动机始终工作在安全的燃烧室出口温度、排气温度、气机喘振裕度、压气机出口压力、燃气发生器转速范围内。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

参见图4，本发明实施例提供的燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法，包括：

步骤S110：建立燃气涡轮发动机仿真模型；

对本步骤进行具体说明，建立燃气涡轮发动机仿真模型，包括：

通过部件特性实验或三维流体计算获得压气机、涡轮以及尾喷管部件特性，在此基础上构建流量连续性方程、功率平衡方程以及压比膨胀比方程组，通过牛顿-拉夫森法求解上述非线性方程组，确定各部件共同工作点，在此基础上结合燃气热力性质计算方法，建立燃气涡轮发动机仿真模型。该模型能够准确模拟发动机各截面温度和压力、推力、转速、压气机喘振裕度和部件共同工作点。

步骤S120：通过燃气涡轮发动机仿真模型获得不同飞行马赫数(Ma)下，排气温度、推力(或输出功率)与电机功率之间的对应关系；

具体地，在建立的燃气涡轮发动机仿真模型的基础上，分别计算Ma为0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0时，排气折合温度(T8_cor)、折合推力(FN_cor)与电机折合输出功率(Pe_cor)之间的对应关系，制作电机功率插值表，即排气温度控制规律。在控制器设计中，通过Ma、T8_cor和FN_cor插值排气温度控制规律，即可确定电机折合输出功率(Pe_cor)。

进一步地，排气温度控制规律的获取过程为：通过发动机试验或高精度仿真模型，确定不同飞行马赫数(Ma)下，排气温度、推力(对于输出轴功的涡轴发动机或燃气轮机则为输出功率)与电机功率的对应关系。且上述排气温度(T8)、推力(FN)、输出轴功率(Pow)、电机输出功率(Pe)均为折合参数，使用时需要换算到当前发动机进口条件下的实际参数。下式为各折合参数表达式：

其中，T0(K)和P0(kPa)为发动机进口总温和总压。Pow_cor为输出轴折合功率。

为了防止发动机压力、温度、转速过高、或喘振裕度过低，在通过燃气涡轮发动机仿真模型获得不同飞行马赫数下，排气温度、推力与电机功率之间的对应关系之后，还包括：

确定不同飞行马赫数和发动机推力(或输出功率)工况下，电机功率的上下限。当电机功率为正时，电机向燃气发生器轴补充机械功；当电机功率为负时，电机从燃气发生器轴提取机械功。

具体地，确定不同飞行马赫数和发动机推力工况下，电机功率的上下限，包括：

分别计算不同飞行马赫数和不同发动机推力工况下，调整电机功率，观察压气机出口压力、燃烧室出口总温、燃气发生器转速和压气机喘振裕度随电机功率的变化，确定电机功率的上下限，制定电机功率限制表。如图5所示，随着电机功率的增加，发动机转速和压比上升，发动机有超转和超压的危险，因此发动机转速和压气机后压力上限决定了电机功率的上限，取发动机转速达到上限和压气机后压力达到上限时所对应的电机功率中的最小功率，作为电机功率的上限。

图5和图6还表明，随着电机功率的减小，燃烧室出口总温增加、压气机喘振裕度减小，发动机有超温和喘振的危险，因此发动机最高燃烧室出口温度和压气机允许最小喘振裕度决定了电机功率的下限，取燃烧室出口温度达到上限和压气机喘振裕度达到允许的最小值时所对应的电机功率中的最大功率，作为电机功率的下限。

如图7所示，在控制器设计中，通过Ma和FN_cor插值电机功率限制表，即可确定电机折合功率的上下限。

为了防止发动机超限，若插值排气温度控制规律得到的Pe_cor小于电机折合功率的下限，则输出电机折合功率的下限；若插值排气温度控制规律得到的Pe_cor大于电机折合功率的上限，则输出电机折合功率的上限；若插值排气温度控制规律得到的Pe_cor在电机折合功率的上下限之间，则原样输出Pe_cor。

步骤S130：基于对应关系插值获得燃气发生器轴电机功率，对排气温度进行控制。

对本步骤进行具体说明，基于对应关系插值获得燃气发生器轴电机功率，对排气温度进行控制，包括：

基于对应关系插值计算出相应的燃气发生器轴电机功率，将不同的燃气发生器轴电机功率作为控制信号输出到电机，对排气温度进行控制。

为了防止调节排气温度过程中，发动机推力偏离目标值，从而提高模拟精度，还包括：通过燃油流量对发动机推力(或输出功率)进行闭环控制。

对本步骤进行具体说明，通过燃油流量对发动机推力进行闭环控制，包括：

根据大气温度、压力、飞行马赫数、折合转速、电机功率计算当前发动机推力，将该推力作为反馈信号通过调节燃油流量实现对推力的闭环控制。

如图7所示，通过传感器可得大气温度、大气压力、Ma、发动机折合转速和电机功率，发动机机载模型通过这些参数计算发动机推力和折合推力，分别用于燃油流量控制和电机控制。燃油控制系统对发动机推力形成闭环控制。当需要控制排气温度时，Ma、FNcor和T8cor插值排气温度控制规律，经过电机功率限制表限制电机功率，即可防止应电机控制导致的压力、温度、转速过高和压气机喘振情况发生。

为了证明本发明实施例提出的燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法的有效性，将建立好的燃气涡轮发动机排气温度控制策略代入燃气涡轮发动机仿真模型中，验证在不同T0、P0、Ma和推力工况下，涡喷发动机能否始终在推力维持目标值的前提下，实现排气温度的控制。温度调控范围应大于100K，且控制策略始终保持压气机出口压力、燃烧室出口温度、转速、压气机喘振裕度处于安全范围内。若控制策略能够使得发动机满足以上要求，则证明本发明实施例提供的控制方法是有效的。如图8所示，当电机功率为1000kW时，发动机排气温度降低了130K以上，可以看到通过电机对排气温度的调节是有效的。

本发明实施例公开了一种基于混合电推进的燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法。利用混合电推进技术在燃气发生器轴上加装电机，通过电机向压气机输入功率或提取功率调整燃油流量和油气比，进而控制发动机的排气温度和红外辐射。此外，借助机载模型预测发动机推力(或输出功率)，从而通过燃油流量实现了对推力(或输出功率)的闭环控制。本发明实施例不仅可以用于单轴涡喷发动机，而且还可用于其它结构的燃气涡轮发动机，例如涡扇发动机、涡轴发动机、涡桨发动机、燃气轮机等。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法，其特征在于，包括：

建立燃气涡轮发动机仿真模型；

通过所述燃气涡轮发动机仿真模型获得不同飞行马赫数下，排气温度、推力与电机功率之间的对应关系；

基于所述对应关系插值获得燃气发生器轴电机功率，对排气温度进行控制。

2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法，其特征在于，所述建立燃气涡轮发动机仿真模型，包括：

通过部件特性实验或三维流体计算获得压气机、涡轮以及尾喷管部件特性，在此基础上构建流量连续性方程、功率平衡方程以及压比膨胀比方程组，通过牛顿-拉夫森法求解上述非线性方程组，确定各部件共同工作点，在此基础上结合燃气热力性质计算方法，建立所述燃气涡轮发动机仿真模型。

3.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法，其特征在于，在所述通过所述燃气涡轮发动机仿真模型获得不同飞行马赫数下，排气温度、推力与电机功率之间的对应关系之后，还包括：

确定不同飞行马赫数和发动机推力工况下，电机功率的上下限。

4.如权利要求3所述的燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法，其特征在于，所述确定不同飞行马赫数和发动机推力工况下，电机功率的上下限，包括：

分别计算不同飞行马赫数和不同发动机推力工况下，调整电机功率，观察压气机出口压力、燃烧室出口总温、燃气发生器转速和压气机喘振裕度随所述电机功率的变化，确定所述电机功率的上下限。

5.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法，其特征在于，所述基于所述对应关系插值获得燃气发生器轴电机功率，对排气温度进行控制，包括：

基于所述对应关系插值出不同的燃气发生器轴电机功率，将所述不同的燃气发生器轴电机功率作为控制信号输出到电机，对排气温度进行控制。

6.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法，其特征在于，还包括：通过燃油流量对发动机推力进行闭环控制。

7.如权利要求6所述的燃气涡轮发动机排气红外辐射控制方法，其特征在于，所述通过燃油流量对发动机推力进行闭环控制，包括：

根据大气温度、压力、飞行马赫数、折合转速、电机功率计算当前发动机推力，将所述推力作为反馈信号通过调节燃油流量实现对推力的闭环控制。

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