渦扇發動機加力接通過程延遲控制措施的影響

郝曉樂，許艷芝，張 浩

(中國飛行試驗研究院發動機所，西安710089)

1 引言

受噴口喉道面積和加力供油量控制匹配程度的影響，渦扇發動機加力接通過程的控制規律非常復雜，設計難度也較高[1]。針對控制邏輯的復雜性和困難性，國內張輝[2]、劉杰[3]、王新月[4]、李偉[5]、薛倩[6]等通過系統試驗和數值模擬等方法，對加力接通過程中的噴口喉道面積、加力供油量等重要控制參數進行了深入研究，提高了渦扇發動機加力接通控制的精度和可靠性。

但在飛行包線左上角區域，受外界大氣環境影響，發動機加力接通過程相對于中低空區域更加困難[7]。某加力式渦扇發動機研制過程中，為提高飛行包線左上角區域的加力接通可靠性，嘗試了加力供油延遲、加力點火延遲[7]以及加力I區鎖定等多種延遲控制措施，以期通過延遲加力供油和加力點火來改善加力燃燒室氣動環境和油氣混合物燃燒性能。本文利用該加力式渦扇發動機試飛數據，對比分析了各延遲措施對加力接通過程氣動穩定性及試驗結果的影響，得到各延遲控制措施的設計特點和實際效果，可為完善渦扇發動機加力接通控制邏輯提供重要參考。

2 加力接通過程控制邏輯及延遲控制措施

2.1 加力接通控制邏輯

該渦扇發動機采用的是混合進氣加力燃燒室。加力供油分為3個區，其中I區為起動點火供油，Ⅱ區為加力內涵供油，Ⅲ區為加力外涵供油[8-9]。加力接通過程中供油為開環控制，噴口喉道面積為閉環控制，主要控制邏輯如圖1中藍色部分所示。

圖1 加力接通控制邏輯Fig.1 Control laws in reheat lit course

當發動機油門角度和高壓轉速滿足控制要求，且未接通“應急切斷加力”按鈕時，發動機開始進入加力接通控制過程。噴口預開到位后，加力I區供油，隨即點火，最后加力Ⅱ區、Ⅲ區相繼供油。過程中，噴口喉道面積按落壓比πt進行閉環控制。

圖1中紅色部分為加力延遲控制措施，包括加力供油延遲、加力點火延遲以及加力I區鎖定。各延遲措施可在電子控制器中設置或取消，并可任意組合和調節相應延遲時間。

2.2 加力供油延遲措施

進入加力接通控制過程后，受噴口預開影響，發動機渦輪后壓力p6會產生較大波動，影響供油量和噴口喉道面積的匹配性。因此，在加力接通控制邏輯中增加了I區供油延遲措施。具體設計邏輯為：判斷加力I區允許供油時刻的p6，若小于規定值，則延遲相應時間后加力I區再開始供油；否則，立即開始供油。

圖2示出了渦扇發動機試飛中驗證的3種加力供油延遲方案。圖中，橫坐標tˉ為實際時間以該發動機規定的中間狀態至全加力狀態的加速時間tac(從中間狀態推油門桿至加力燈亮)為基準進行無量綱處理后的值；f(πt)為利用πt構造的加力I區允許供油的判斷函數，當f(πt)≥0時允許加力I區供油；LFI為加力I區供油計量活門給定位移值，下角標數字代表不同的延遲方案。從圖中可清楚看到不同延遲時間下加力I區供油活門給定位移的隨動情況。受推油門桿速率和控制系統響應速度的影響，加力I區供油的實際延遲時間可能較設計值稍長。本文忽略以上因素影響，均按設計值進行分析。

圖2 加力供油延遲驗證方案Fig.2 Validated projects of augmented-fuel time-delay control

2.3 加力點火延遲措施

在加力I區供油后理論上可以立即點火，但受加力燃油計量裝置起動階段震蕩效應的影響，初始供油時刻油量與設計值偏離較多，出現油量峰值現象[10]，不利于形成合理的油氣比。因此，在加力接通控制邏輯中采取了加力點火延遲措施。具體設計邏輯為：根據油門角度和發動機高壓轉子轉速具體數值，從加力I區計量活門給定位移開始突增時刻起，經過不同的延遲時間后，電子控制器發出“加力點火”信號。

圖3顯示了3種經試飛驗證的加力點火延遲方案，圖中Sjldh為加力點火信號，下角標數字代表不同的延遲方案。相較于加力供油延遲，點火延遲時間嚴格按照設計值執行。

圖3 加力點火延遲驗證方案Fig.3 Validated projects of afterburning ignition time-delay control

2.4 加力I區鎖定措施

加力點火后，若油氣比合適則加力燈正常閃亮，表明加力點火成功。由于加力I區供油量只占總加力油量的15%左右，若此時立即允許Ⅱ區和Ⅲ區相繼供油，很可能對還未形成穩定燃燒的油氣混合物產生沖擊，造成加力熄火。因此，在加力接通控制邏輯中設計了加力Ι區鎖定措施，即延遲加力Ⅱ區的供油時間。具體設計邏輯為：根據加力燈閃亮時刻的p6具體數值，保持加力I區進行相應時間的供油后，加力Ⅱ區再開始供油。

圖4顯示了2種經試飛驗證的加力I區鎖定方案。圖中，Safr為加力燈信號，LFⅡ為加力Ⅱ區供油計量活門給定位移值，下角標數字代表不同的鎖定方案。加力I區鎖定時間也嚴格按照設計值執行。

圖4 加力I區鎖定驗證方案Fig.4 Validated projects of locking augmented-fuel of zone I

3 試飛驗證結果及分析

為提高高空小表速區域加力接通的可靠性，發動機在試飛中針對加力供油延遲、加力點火延遲及加力I區鎖定等控制邏輯的多種設計方案進行了試飛驗證，并取得較好效果。本文選取其中具有代表性的試驗點，對比分析各延遲措施的作用和各方案的實際效果。

3.1 加力供油延遲措施效果分析

試飛中共驗證了3種加力供油延遲方案，無量綱處理后的延遲時間分別為0、0.67和1.33，如圖2所示。各方案加力I區供油后的控制邏輯完全相同。

表1顯示了3種加力供油延遲方案下發動機慢車至全加力狀態加力接通試驗結果。表中分別以飛機升限高度Hpmax和加力接通邊界表速Vimin為參考值，分別對試驗點的高度和速度作無量綱處理。為無量綱處理后的從慢車狀態推油門至加力燈亮的時間。從試驗結果看，3種加力供油延遲方案下，發動機均能接通加力，但加力燈閃爍情況并沒有隨著延遲時間的增加而有所改善，即加力接通過程中加力油氣混合物的燃燒并沒有改善。另一方面，隨著加力供油延遲時間的增加，加力燈亮的時間也隨之延長，3種方案下的平均時間分別為0.76、1.35和2.07，大大增加了發動機的加速時間。

表1 不同加力供油延遲方案下的加力接通試驗結果Table 1 Results of reheat lit tests with different projects of augmented-fuel time-delay control

從加力接通過程πt實際值和給定值的差值Δπt的變化也可以看出，各方案下加力油氣混合物的燃燒沒有得到改善，如圖5所示。圖中●代表該種方案下實際開始供油的時刻，★代表開始點火的時刻。從圖中可以看到，較長的延遲時間可以使I區供油前的p6增加，導致Δπt降低，但加力點火時刻的Δπt則相差不大。加力點火后，3種方案下的Δπt變化趨勢基本相同，波峰、波谷的數量和幅值也基本相同。因此，從Δπt的變化看，加力供油延遲措施只是將加力接通過程按照不同延遲時間整體后延，對加力燃燒室的氣動穩定性沒有積極影響。

3.2 加力點火延遲措施效果分析

試飛中共驗證了3種加力點火延遲方案，無量綱處理后的延遲時間分別為0.67、1.33和2.00，如圖3所示。各方案均無供油延遲措施，且加力點火后的控制邏輯完全相同。

圖5 不同加力供油延遲方案下Δπt在加力接通過程中的變化Fig.5 Variation ofΔπtin reheat lit course with different projects of augmented-fuel time-delay control

受試驗點加力供油規律改進的影響，不同延遲時間方案下的試驗結果對比分析，分為0.67和1.33、1.33和2.00兩組分別進行，如表2和表3所示。表中的“正常接通”意為接通過程無加力燈閃爍現象。

表2 點火延遲時間為0.67和1.33方案下的加力接通試驗結果Table 2 Results of reheat lit tests with projects of afterburning ignition time-delay of 0.67 and 1.33

從表2的統計情況看，0.67和1.33兩種加力點火延遲時間方案下，中間至全加力試驗均能接通加力，且只有1.33方案出現1次加力燈閃爍情況；慢車至全加力試驗也全部接通加力，但0.67方案出現2次加力燈閃爍現象，其中序號7試驗閃爍次數較多。另一方面，中間至全加力試驗的的增加而增加，且增加幅度小于增加的時間0.67；而慢車至全加力試驗的基本相同。

從表3的統計情況看，1.33和2.00兩種加力點火延遲時間方案下，中間至全加力試驗均能接通加力，但加力燈閃爍情況2.00方案明顯差于1.33方案；慢車至全加力試驗中，2.00方案有2次試驗未能成功接通加力，而1.33方案均能接通。另一方面，2.00方案的均較1.33方案有所延長，且增加幅度大于增加的時間0.67，尤其是慢車至全加力試驗，平均增加1.53。

表3 點火延遲時間為1.33和2.00方案下的加力接通試驗結果Table 3 Results of reheat lit tests with projects of afterburning ignition time-delay of 1.33 and 2.00

圖6分別顯示了3種加力點火延遲方案下Δπt從慢車至全加力狀態的變化情況。圖中零點為LFI突增時刻，★代表開始點火時刻，■為加力Ⅱ區開始供油時刻。在加力Ⅱ區供油前，所有方案的Δπt的變化基本一致。加力Ⅱ區開始供油后，0.67和2.00方案的Δπt急劇變化，且0.67方案波動明顯，2.00方案單調突升，明顯不利于加力燃燒室穩定燃燒；而1.33方案的Δπt波動最小、相對穩定。

圖6 不同加力點火延遲方案下Δπt在加力接通過程中的變化Fig.6 Variation ofΔπtin reheat lit course with different projects of afterburning ignition time-delay control

圖7 不同加力供油延遲和點火延遲方案下pI和Sjldh在加力接通過程中的變化Fig.7 Variation ofpIandSjldhin reheat lit course with different projects of augmented-fuel and afterburning ignition time-delay control

另一方面，采用加力點火延遲措施后，發動機加力接通過程中的實際供油和點火發生了變化。圖7(a)示出了不同加力供油延遲和點火延遲方案下，加力I區供油壓力pI(表征I區燃油流量[11])和加力點火信號的變化。對比圖7(a)和圖7(b)可以發現，在不同的加力供油延遲方案下，噴嘴初始供油產生的流量峰值[12]始終在加力點火信號持續時間內，也就是說I區油氣混合物均處于富油狀態，不利于順利點燃。而采用加力點火延遲措施后，除0.67方案的流量峰值仍在加力點火信號持續時間內，1.33和2.00方案均使得加力點火成功避開流量峰值，但2.00方案延遲太久導致流量持續偏低，也不利于順利點燃I區油氣混合物，最終未能接通加力。因此，從加力接通結果、以及接通過程中加力燃燒室氣動穩定性和油氣比等角度綜合考慮，1.33方案明顯優于0.67方案和2.00方案。

3.3 加力I區鎖定措施驗證試飛

試飛中共驗證了2種加力I區鎖定方案，無量綱處理后的鎖定時間分別為0.33和0.67，如圖4所示。

實際試飛中，加力I區鎖定措施和加力點火延遲措施聯動更改、驗證試飛，實際能找到的對比試驗點較少。表4示出了不同加力I區鎖定時間下的加力接通試驗結果。各試驗均無加力供油延遲措施，且加力點火延遲時間為1.33。

表4 不同加力I區鎖定時間下的加力接通試驗結果Table 4 Results of reheat lit tests with different projects of locking augmented-fuel of zone I

從有限的試驗對比可知，鎖定時間對試驗結果影響不大，但0.33方案下的明顯比0.67方案的大，使得超出加速時間要求的情況更加嚴重。

圖8對比了不同鎖定時間下中間至全加力過程中Δπt在加力I區鎖定時間內的變化?？梢钥吹?，較長的鎖定時間可以使Δπt值從較大幅度的波動中恢復到正常水平，更接近給定值，即更接近理想加力接通過程。這是由于較長的加力I區鎖定時間有利于油氣混合物在點燃之后形成較為穩定的燃燒工況，保證其不會被內涵供油時刻的峰值油量干擾，提高了火焰的穩定性。同時，使得噴口等幾何調節機構有充足的時間進行相應調節，保證噴口喉道面積和加力供油量的匹配。

圖8 不同加力I區鎖定方案下Δπt在鎖定時間內的變化Fig.8 Variation ofΔπtin locking time with different projects of locking augmented-fuel of zone I

4 結論

利用加力式渦扇發動機試飛數據，分析了加力I區供油延遲措施、加力點火延遲措施和加力I區鎖定措施的實際作用，對比了各個措施不同延遲時間對接通過程中加力燃燒室的氣動穩定性和試驗結果的影響，可以得到以下結論：

(1)加力供油延遲措施只是將加力接通過程按照延遲時間整體后延，對加力燃燒室的氣動穩定性無積極影響。

(2)加力點火延遲措施可以使油氣混合物避開在加力I區燃油流量峰值時點燃，優化了點火時刻的油氣比，且無量綱延遲時間為1.33時最為有效、合理。

(3)加力I區鎖定措施有利于加力I區油氣混合物在點燃之后形成較為穩定的燃燒工況，以及噴口喉道面積和加力供油量的匹配。