某型涡轴发动机空中热起动控制规律研究

中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002
摘要：为了解决某型涡轴发动机在高空条件下热机起动失速的问题，进行了高空起动控制规律优化。

开展了加速率控制模式与油气比控制模式对起动
失速程度影响的对比试验；验证了T45余温修正对热起动的改善作用；在此基础
上通过调整起动放气量消除了该发动机高空热起动失速的问题。

研究表明油气比
控制模式能够有效抑制起动失速的扩展，适当增大压气机级间起动放气量有利发
动机高空热起动。

关键词：涡轴发动机空中热起动控制规律
Control Rule Research of a Turbo-shaft Engine hot Start at high Altitude
Wei Zhang
（AECC HUNAN AVIATION POWERPLANT RESEARCH INSTITUTE，ZhuZhou，China 412002）
Abstract: The startup control rule of a turbo-shaft engine was optimized, as a stall happened during hot start at high altitude.
Tests were set up to compare the influences of both accelerate rate control model and fuel air rate control model to start stall; improvement of correcting based T45 was validated, finally get rid of the stall during the hot start at high altitude by increasing the
start bleeding. Research shows fuel air rate control model is helpful
to control the spread of the stall during startup, increasing the
strat bleeding properly is helpful for hot start at high altitude
Key words: turbo-shaft engine；high altitude; control rule; research
引言
航空燃气涡轮发动机的起动是一个非稳态的过程，它涉及到工程热力学、气
体动力学、传热学和控制技术在内的多门学科[1]，根据使用场景的需求涡轴发动
机通常需要具备从地面到4500m高原冷机起动的能力，空中再起动高度需要达到6000m左右，起动环境温度通常为-40℃到55℃。

如何保证发动机在整个包线范
围内快速、可靠地起动是人们一直以来广泛关注的课题[2]。

主要的研究方法有：1.
2.
通过理论研究[3]，分析影响起动性能的因数；
3.
建立各种起动过程的模型[4] [5] [6]，通过模型的计算为起动系统的设计和优化
提供支持；
4.
开展各种类型的起动试验[7] [8]，验证和优化起动系统。

前面两种方法主要是用于起动系统初期的设计，第三种方法则偏重于工程实
际应用，是更为直接、真实的方法，也是发动机研制过程中必须进行的验证试验。

随着试验技术条件的完善，起动试验从最初的地面常温试验，发展到不同海
拔高度和不同大气温度条件下的起动试验。

目前越来越多地应用高空台进行起动
控制规律优化。

航空燃气涡轮发动机种类多、尺寸差别大，使用起动机的类型也不尽相同，
但是起动过程的基本原理是一致的，本文主要借助高空台起动试验对某涡轴发动
机的起动控制规律进行优化。

1初始起动控制规律试验情况
在起动控制规律的发展早期，广泛使用机械液压式的燃调系统，起动过程主
主要采取在给定燃油流量的基础上进行简单的修正的方法，比如根据大气温度调
整修正螺钉。

随着FADEC控制系统的使用，使得燃油给定更为灵活，出现了给定
转速率闭环计算燃油流量的方法[9]和按照给定油气比计算燃油量的方法。

某发动机是轴向进气、单转子燃气发生器、自由涡轮式涡轴发动机，它配备FADEC控制系统。

采用起动电机带转，起动时通过压气机级间放气提高喘振裕度。

本文研究的涡轴发动机初始起动控制规律如下：
1.
2.
给出起动信号，起动机带转燃气涡轮转子到ng=a时断开，点火电嘴持续点火b
秒；
3.
在ngcr［0，A］时根据发动机转速计算开环供油：
)
Wf=f(W
f0
1.
2.
在ngcr［A，B］时，将给定加速率闭环计算的燃油流量与给定油气比Wf/P3计算
的燃油流量进行低选，低选的燃油流量再与最低燃油流量Wfmin进行高选。

3.
当ngc≥B%，进入np闭环控制模式，判定发动机起动成功。

该发动机在地面试车台进行了充分的常温整机起动试验，为了进一步验证和
优化全包线范围内的起动控制规律，借助于高空台试验开展了不同温度和高度条
件下的起动控制规律研究。

发动机在初始起动控制规律下，在高空台进行的从海平面到5.0km的冷机起
动和热机起动均获得成功。

5.5Km的冷机起动成功，但是热机起动出现了悬挂的
现象，见图1。

冷机起动过程各参数平稳无波动，40s内完成起动；从图1可以看出，热机
起动过程中Ps3出现了明显的波动，T45温度高，ng悬挂，这些现象说明热机起
动过程中出现了压气机旋转失速的现象，导致压气机部件效率降低，剩余功率过低，难以加速燃气发生器转子。

图1 初始控制规律5.5Km热机机起动
优化发动机起动性能的基本方法有：提高起动机功率；优化起动控制规律
（燃油供油规律）；提高起动机脱开转速；调整防喘放气流量。

鉴于该发动所处
的研制阶段，在进行起动系统优化时，优先选择调整供油规律这类不需要改动硬
件或是对硬件改动量较小的方法。

2进行T45余温修正
由于温升效应的影响发动机在冷机和热气起动时需要的燃油流量不一致[9]，
基于发动机热机起动过程出现了失速的现象，所以根据T45余温对燃油流量进行
了修正，修改后ngcr［A，B］的控制规律如下：
将给定加速率闭环计算的燃油流量与油气比Wf/P3开环计算的燃油流量进行
低选，低选的燃油流量再与最低燃油流量Wfmin进行高选。

图2是初始控制规律进行T45余温修正后热机起动的曲线，从图中可以看出，Ps3仍然存在波动的情况，但波动幅度比修正前的小，T45温度明显降低，ng出
现了悬挂，起动失败，但是可以看出余温修正明显降低了Ps3波动幅度和频率，
改善了压气机失速程度。

图2 初始控制规律T45修正后热机起动
在修正过程中发现在ngcr［A，B］同时采用按照油气比计算燃油流量和根据给定加速率计算燃油流量的方法并不合理，存在以下几个问题：
1.
2.
逻辑繁冗；
3.
实际供油规律不确定性；
4.
试验验证困难；
5.
供油量修正困难。

基于上面的原因，只选取其中一种方式计算燃油流量并开展T45余温修正，通过试验验证供油规律及修正方法的可行性。

3按给定加速率供油
将第1章起动控制规律中第3）项进行修改，取消油气比计算燃油流量的部分，直接选取给定加速率给定计算的燃油流量与最小燃油流量的高值，同时进行
T45余温修正。

考虑到可能出现超温的情况，取消油气比方案1将ngcr[A，B]前半段的加速
率给定降低，冷机起动成功，热机起动失败。

方案2再将ngcr[A，B]后半段的加
速率给定降低，冷机起动成功，热机起动失败，见图3。

两次起动的现象基本一致，Tt45多次进入限制回路，ng加速缓慢。

图3 给定加速率方案2热机起动
通过给定加速率供油的热机起动可以发现，在起动过程，出现Ps3波动时，
整机效率下降，燃气发生器转子加速能力减弱，但根据加速率控制模式，会增加
燃油流量，这样会导致Ps3波动加剧，压气机旋转失速变得更为严重，有发展为
喘振的风险，影响发动机使用安全。

所以给定加速率的控制模式不适合喘振裕度
较低的发动机。

4按给定油气比供油
将第1章起动控制规律中第3）项进行修改，取消根据加速率给定闭环计算
的燃油流量的部分，直接选取给定油气比计算的燃油流量与最小燃油流量的高值，同时进行T45余温修正。

按照逐步减小油气比给定的顺序，一共进行了4次给定油气比供油方案的试验。

试验结果表明虽然油气比的减小降低了失速的程度，但是直到油气比降低到
最低限制，仍不能测地消除压气机失速，出现了起动悬挂的现象，见图4。

图4 给定油气比方案4热机起动
5起动防喘放气量调整
从上述试验中可以观察到起动过程中一直存在压气机旋转失速的现象。

针对
该现象，在起动过程中通过增加防喘放气量来提高喘振裕度。

一共进行了增加10%、20%和30%放气量的试验，随着放气量的增加，失速现象逐步消失。

图5是
增加30%起动防喘放气量的高空热起动，从图中可以看出：起动过程中Ps3压力
波动的现象全部消失；虽然增加了放气流量，损失了部分能量，但是由于部件效
率相对于存在旋转失速时更高，发动机加速能力反而更强，起动更平稳，起动时
间更短，只有45s左右。

综合采用上述措施对起动控制规律进行优化后完成了全包线的起动试验验证，均获得了成功。

图5 给定油气比方案3基础上增加防喘放气量
6结论
本文基于高空台验证试验，对某涡轴发动机高空热起动控制规律进行了研究。

通过研究发现：
1.
2.
高空热起动过程进行Tt45余温修正，有利于减弱起动过程中压气机旋转失速的
程度；
3.
原有控制规律中ngcr［A，B］段，采用给定加速率和给定油气比并行的模式
并不合理；
4.
对于喘振裕度较低的发动机采用给定加速率控制模式容易导致压气机旋转失
速加剧，存在安全风险；
5.
采用给定油气比控制模式，结合适当的Tt45余温修正，实现了高空热起动，但是在局部转速段仍存在压气机旋转失速的现象；
6.
在给定油气比和Tt45余温修正的基础上，将防喘放气量增加30%后彻底消除了压气机失速的问题，实现了该发动机高空热起动。

参考文献：
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