一种基于余温的航空发动机起动控制规律优化方法研究
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【关键词】发动机余温 起动性能 冷热机 起动控制规律
1 引言
航空发动机起动过程的性能好坏是发动机的重要指标之一，其基本要求是应能够在设计包线内，在给定的时间内按照一定的起动控制规律点火并加速发动机至慢车工作状态，同时保证起动过程中不出现超温、喘振等问题，在此前提下，尽可能缩短发动机起动时间、降低起动过程的燃气涡轮出口温度。在实际的发动机工作过程中，其起动性能的影响因素除了部件效率，喷嘴特性等发动机本体特性之外，还包括起动控制规律、大气温度和压力、发动机的冷热机状态等外部条件。
本文基于实际试验数据对某型涡轴发动机起动性能的受发动机余温的影响进行了分析，基于分析结果对发动机起动控制参数进行了优化改进，并对改进后的效果进行了试验验证
2 起动过程描述
该涡轴发动机起动过程采用全权限数字电子控制系统，使用电机辅助起动的方式起动，电机、点火装置的接通和断开由电子控制器控制完成。
发动机的起动过程，可分为3个阶段：阶段1：电机带转段，电子控制器接收到起动指令后接通起发电机和点火装置（接通时间超过限制值后断开）。当达到一定转速后进入下一阶段；
阶段2：开环控制段，开始根据当前转速下的给定燃油流量控制燃油供给，发动机点火，燃气涡轮出口温度T 45的温升超过判定阀值后进入下一阶段；
阶段3：转速加速率闭环段，控制系统按照给定和实际转速加速率差值计算需要供给的燃油量，使发动机转速尽可能按照给定的转速加速率上升至慢车状态。
在发动机的起动过程中，导叶位置维持
一种基于余温的航空发动机起动控制规律优化方法研究
文/罗浪1  韩同辉1
不变，阶段2控制系统给定燃油流量W f 以及阶段3给定转速加速率N D ，均是在地面标准天给定值的基础上基于大气温度T t1、大气压力P t1进行修正。
航空发动机原理通过参数修正，发动机控制规律能够适应飞行包线内各种大气条件下的起动。但该控制规律下W f 和N D 的计算未考虑发动机余温的影响，因此仍不能满足部分条件尤其是低温天和热机条件发动机起动要求。
3 存在的问题及分析
3.1 低温天起动(黑体，5号)
发动机的起动过程中燃气发生器转子的力矩平衡关系可用下式表示：
其中，J e 为燃气发生器转子的转动惯量，M gas 为燃气涡轮做功产生的力矩，M start 为起动电机经中央传动轴传递到燃气涡轮转子上的等效力矩，M cp 、M s 为压气机、发动机转动附件的负载力矩，M T 为发动机轴承等处的机械阻力矩。
在低温天起动时，在同一大气温度、压力条件下，发动机机体余温以及燃/滑油温度等与其冷置的时间成反比，冷置的时间越长，各部件以及燃/滑油温度也会越低，各摩擦副产生的阻力矩M s ，M T 将上升，将引起发动机加速性显著降低。尤其是在高空以及超低温(大气温度低于-20℃)条件下，点火、联焰能力不足，电机带转时间不够，燃油黏度升高导致流量误差增大等因素影响，发动机起动性能原本较差，这时冷置时间对发动机起动性能造成的影响就更为明显。图1对比了同一台发动机在4500m 高度标准天环境下的两次起动试验，第1次试验冷置0.3小时，起动前滑油温度19℃，T 45温度21℃，第二次试验冷置1小
时，起动前滑油温度-1℃，T 45温度5℃。
试验数据表明，第一次试验发动机起动成功，而第二次试验与第一次相比，在大气环境以及进入转速加速率闭环段之前，同转速下发动机给定供油量完全一致的条件下，第二次试验转速加速率明显低于第一次试验，进入速速率闭环段之后仍加速缓慢，最终导致起动悬挂。结果表明低温天起动时发动机余温对起动性能有显著影响。3.2 热机条件起动
发动机在热机条件起动时，发动机零部件及燃/滑油余温越高，发动机机械阻力矩越小，同时发动机点火性能也越好，相同燃油量下的发动机起动加速性更好。此外，发动机余温高时燃气涡轮转静子间隙相对较小，其做功能力也会显著提升。目前控制规律中，给定转速加速率的计算并未考虑发动机余温的影响。图2对比了两次起动过程，第一次试验T 45温度30度，第二次为热机起动T 45温度100度。
试验数据表明，起动过程中，发动机的电机带转段和点着火后的开环阶段，热机起动的实际转速加速率明显较高，但进入转速加速率闭环控制段之后，由于给定转速加速率未进行余温修正，因此热机条件下同转速的给定转速加速率与冷机相同而实际转速加速率较高，从而导致控制系统控制油针持续减小甚至降至燃油低限，Ng 转速到达32%左右之后，随着起动电机带转作用的减弱以及减油效果的累积，
实际转速加速率开始降低，直至转速39%左右油针，转速加速率随着油针位置的增加开始恢复，结果表明当前热机起动控制规律与发动机热机性能存在不匹配的问题。
4 改进与验证
根据上述问题，考虑基于发动机余温对发动机的起动控制规律进行适应性修正，以优化发动机在低温天及热机条件下的起动性能。在
图1：低温起动过程对比
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控制系统采集的数据中，T 45温度、燃/滑油温度均能够反映发动机的余温，且变化趋势相近，这里选择T 45温度作为控制修正的基础参数，包括对给定流量W f 和给定加速度N D 的修正。
其中k t451是基于起动前T 45温度对开环段供油量的修正，在原有控制规律的基础上提高了对低温条件下的修正，其主要目的在于进一步提升发动机的开环段燃油流量以及加快发动机点火和联焰，从而提升开环段的加速性来提高低温条件下的起动性能。k t452是基于起动前T 45温度对闭环段加速度的修正，k t452随起动前T 45温度的上升而增大，在热机起动时k t452的作用将使给定加速度相对冷机状态提高以缩短起动时间。
另外，针对发动机在低温天起动能力下降严重的问题，对电机控制回路及其脱开时间进行改进，提升电机带转能力，延长高空和大气温度-20℃以下条件下的带转时间，以提高其低转速段的加速度。基于以上改进措施，进行了改进效果验证和对比试验。图3和图4对比在4500m 标准天和地面-30℃下控制参数改
进前后的起动对比情况。
验证试验结果表明，通过基于发动机余温的供油量修正和电机控制改进能够有效地提升发动机在低转速段的加速性，避免进入因闭环后加速度过低而进入燃烧室性能恶化的工作区间进而导致的超温保护以及发动机悬挂等问题，使发动机能够在要求的时间内成功起动。
图5对比了基于发动机余温对起动过程转速加速率给定的修正前后的发动机起动情况。试验结果表明，采用T 45余温修正能够避免原有控制规律下供给燃油流量在低转速段快速降低-上升这一过程对起动的影响，并使发动机的起动时间缩短了3s 。
5 结论
起动前的发动机余温从多方面影响发动机的起动过程，特别是在高空、低温、热机起动时，其影响尤为明显，本文基于这种影响提出了根据发动机余温对控制参数进行修正的改进方法，试验表明该改进设计能够明显改善发动机的起动性能。但仍需要通过大量的全飞行包线内发动机起动试验来进行完整的验证和参数优化。
参考文献
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作者简介
罗浪，男，硕士学位。工程师。主要从事航空发动机控制系统设计。
作者单位
中国航发湖南动力机械研究所  湖南省株洲市
412002
图2：热机起动过程特性图3：4500米改进前后起动对比
图4：地面-30℃度改进前后起动对比
图5：改进前后热机起动对比

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