航空发动机寿命延长控制综述

陈小磊，郭迎清，张书刚

（西北工业大学动力与能源学院，西安 710072）

0 引言

为了满足飞机高性能的需求，发动机控制已由简单的控制燃油流量的机械控制器，发展到采用先进控制理论的全权限数字电子控制器。然而无论采用何种控制系统，首先考虑如何更好地发挥发动机的性能，比如：更快的加速性能、更高的稳定性，却很少将发动机的寿命纳入发动机控制系统的设计要求中[1-6]。军用航空发动机，由于飞机作战机动性能的需要，应该优先考虑对发动机性能的挖掘，但如果能在保持性能基本不变的同时，延长发动机的寿命，就可以保证发动机更长的在役时间，增加飞机的作战效能，降低维修次数。而民用航空发动机，当然不能忽视其性能，但相比较而言，并不要求民用飞机有非常高的机动性能，而要考虑如何降低其使用费用，减少维修次数等。目前发动机及其关键件的寿命问题，一直是在发动机状态监控与故障诊断领域中进行，如现在采用的寿命监控仪等；发动机控制领域，只是调节控制发动机本身的工作。而寿命延长控制期望在控制系统中解决寿命问题。

寿命延长控制（Life Extending Control，LEC），从广义上来讲，就是通过修改复杂系统（比如航空发动机、火箭发动机等）控制逻辑或控制硬件，来影响1个或多个寿命因素，从而使得系统的服役寿命得以延长。1991年Lorenzo与Merrill首次在可重复利用液体火箭发动机控制中提出寿命延长控制LEC的概念，即在保证火箭发动机性能不变或有很小损失的前提下，通过改善控制策略，使得发动机的可重复利用时间得以延长[7]。之后，美国NASA的各个实验中心均开展了与寿命延长控制相关的研究，从2004年以来，在NASA的多份报告中提及航空发动机的寿命控制，着重分析了发动机寿命缩短的原因，并提出了相应的解决方法[8-11]。国内由于在发动机模型、部件寿命模型以及控制器方面的缺陷，LEC研究起步较晚，2008年，郭迎清教授首次对基于修改加减速控制策略的寿命延长控制进行研究，并取得初步进展[12-13]。本文在总结国外相关资料的基础上，介绍航空发动机寿命延长控制技术，对其实现技术、关键技术以及LEC控制结构进行详细分析。

1 寿命延长控制技术

由于影响发动机寿命的因素有很多，因此针对不同的原因，所提出的发动机寿命延长控制技术也有所不同。从各大航空公司航空发动机翻修或退役的履历可以看出，影响发动机寿命的原因从原理上来讲主要有：排气温度过高、低循环疲劳导致寿命限制部件损坏、以及发动机加速缓慢等[14]。其中排气温度过高主要是由于热端部件性能衰退；而寿命限制部件损坏则主要是因为部件长时间处于高温、高压、高转速环境中，部件上形成较大的热机械疲劳应力；加速缓慢是由各种部件的性能衰退所引起的，其具体原因分析见表1。

20世纪90年代以来，针对上述不同的发动机翻修或退役原因，美国、欧洲各大航空研究机构均开始了对航空发动机寿命延长控制的研究，所采用的研究方法也不相同，比如：智能加减速控制、主动间隙控制、冷却调制、控制策略优化[15-16]。

美国NASA利用质量功能展开法（Quality Function Deployment，QFD）对现有的寿命延长控制技术进行分析见表2（LEC主要技术以及QFD评估点），认为当前最有效的2种LEC技术分别为：智能加减速控制、主动间隙控制。其中智能加减速控制是仅通过修改软件程序就可以实现的LEC技术，而主动间隙控制是修改硬件最为有效的方式[17]。

表2 NASA对LEC技术的QFD评估

1.1 智能加减速控制

航空发动机由大量部件组成，这些部件在发动机运行过程中，或多或少都经受着不同程度的疲劳损伤的破坏，特别是一些热端部件。这些疲劳损伤包括：热机械疲劳、蠕变疲劳、腐蚀疲劳等。以热机械疲劳为例，由于发动机在启动或加减速过程中，涡轮叶片重复经历高低温变化，在叶片上形成交变的热应力，经过多次循环过程后，在叶片局部形成微小的裂痕，如果继续使用，那么这些裂痕最终将导致叶片的断裂。智能加减速控制的思想正是希望通过对发动机控制系统的修改或者优化来减少发动机运行过程中对寿命限制部件的损伤，延长发动机的寿命。

智能加减速控制是通过对发动机加减速控制进行优化，在保证发动机基本性能的同时，减少对高压涡轮的温度冲击，这样就可以减少叶片或轮盘上的热机械应力，从而减少疲劳损伤。美国NASA Glenn研究中心的Ten-Huei Guo领导的科研小组在这方面做了详细的研究。通过将发动机高压涡轮导叶的寿命纳入到发动机加速控制器的优化当中，在保证发动机部分加速性能的同时，延长叶片的寿命。试验结果表明，在转速上升时间不变的情况下，叶片寿命比原来增加近30%[9]。

1.2 间隙控制

航空发动机叶尖间隙通常指的是发动机转子叶片叶尖和机匣之间的径向间隙。研究发现，随着发动机运行时间的延长，压气机和涡轮叶片将出现磨损、叶型改变的现象，叶片与机匣间的间隙变大，部件效率下降，发动机推力减少。为阻止推力的下降，发动机供油装置将增加发动机的供油量，使得排气温度EGT增加。而当前排气温度是航空发动机退役的1个重要指标，排气温度过高说明发动机性能大幅度下降，会极大地降低其经济性，同时也会造成大量的空气污染。

叶尖间隙控制的思想就是通过开环控制或者闭环控制，将压气机和涡轮间隙维持在较为合理的水平上，即可以保证发动机各部件效率，同时也可以避免叶片与机匣发生碰磨。近30年来，随着民用航空的蓬勃发展，各大研究机构均开展了对叶尖间隙控制的研究，以期可以延长发动机在役时间，降低使用成本，其主要方法为：被动间隙控制、主动间隙控制。其中被动间隙控制研究较早，它是根据发动机运行数据记录，找出叶尖间隙变化的规律，然后确定出某个工作点（通常是启动或加速状态）的间隙值，然而这个间隙值在发动机巡航状态时会有些偏大。20世纪70年代末至80年代初，发动机制造商开始使用主动间隙控制，通过对叶片或机匣进行冷却或加热，来改变叶尖间隙，保证在发动机运行过程中的各个工作点，都有1个合适的间隙，但主动间隙控制系统不能适应发动机性能的退化。

近年来，随着数字控制电子器的使用和高性能传感器的出现，出现了智能主动间隙控制系统。2004年，GE公司全球研发中心的Mark Baptista等人提出基于模型的间隙控制系统，该系统是通过收集发动机运行时的参数，与FADEC中的实时运行的发动机非线性模型输出参数比较，得到发动机退化的水平，进而修改主动间隙控制的控制量[18]。2007年，T.Pfister等人利用光纤激光多普勒位移传感器测量高压涡轮叶尖间隙，从而形成1个闭环控制系统。2007年，清华大学的岂兴明利用现有发动机传感器的信号（温度、压力、转速传感器），通过原先设定好的程序，实时计算出涡轮间隙值，对间隙进行控制[19]。

从发表的相关论文来看，当前发动机间隙控制的关键在于对间隙的估算或者测量，同时还需要对相应的执行机构进行研究。对间隙进行估算，首先就需要通过对大量的实验和实际运行数据进行分析，得到发动机退化和叶尖间隙随发动机服役时间变化的规律。而间隙的测量主要还是依赖高性能传感器的研发，因为像高压涡轮叶尖间隙的测量传感器必须能够在高温高压、腐蚀的环境中使用。

2 寿命延长控制关键技术

与传统控制系统相比，寿命延长控制需要额外增加关键部件寿命或者整机寿命的控制模块，因此其结构有所改变，寿命延长控制如图1所示。从图中可见，虚线框内为传统性能控制，包括发动机动态模型和性能控制器2大部分。在这基础上，寿命延长控制模块增加部件应力/应变模型、部件寿命模型、寿命控制模块，寿命控制器根据寿命模型计算得到的寿命信息，对原有性能控制器进行适当调整。

图1 寿命延长控制

2.1 应力/应变模型

部件应力/应变模型是发动机运行参数和部件寿命模型之间的桥梁。通常，发动机的运行参数包括发动机转子转速、各截面压力、温度。然而发动机部件寿命模型需要的则是部件材料温度、部件上的温度梯度、部件负荷等。

通常发动机厂商可以利用有限元分析的方法将发动机运行参数转化成寿命模型需要的数据。但有限元分析需要长时间耗费大量的计算机资源，因此寿命延长控制中利用有限元分析方法来实时进行部件机械应力和热应力分析并不实际。下面给出3种应力/应变模型对比见表3。通常在研究前期可以使用定性模型进行定性分析，在此基础上再建立部件近似模型进行定量分析，而工程应用阶段1种可行的方法是，首先对部件进行离线有限元方法分析，然后利用模型简化和线性化的手段得到简化模型，从而保证模型在一定精确度的基础上，提高模型实时计算速度和灵活性。

2.2 寿命模型

寿命延长控制的关键技术之一是建立发动机整机或者发动机关键部件的损伤寿命模型。然而，传统部件定寿是在设计阶段按先前统计载荷理论计算确定的，根本没考虑发动机部件的实际使用与寿命消耗，这导致很多部件在没有明显问题时就被替换下来；也有部分出现损伤的部件依然在使用。因此，准确地估算出部件寿命，不仅可以增加部件的使用效率，同时也能够更好地保证其在使用过程中的可靠性。

表3 部件应力/应变模型对比

寿命延长控制理想的寿命模型应该包括所有寿命限制部件所有失效模式的寿命计算，以部件应力/应变模型和应力/寿命模型为基础，在发动机运行过程中根据部件实际工作状态参数（温度、压力、转速），实时计算，并在发动机主要工作循环后及时进行更新。而且由于部件寿命不能实时测量，因此需要在此之前进行大量的试验来进行修正。美国NASA Glenn研究中心的Ten-Huei Guo领导的科研小组在航空发动机LEC研究中给出了高压涡轮导向叶片的简化寿命模型[9]

式中：Δmax为叶片前后缘最大温度差；Tm（Δmax）为最大温度差对应下的叶片温度为最终得到的叶片预测寿命。

该模型使用的参数较少，因而计算量小，保证了模型的实时性。

2.3 发动机模型

部件寿命精确的计算需要使用部件实际工作参数，其中部分参数由传感器直接测量得到，如转子转速、部分截面压力、温度。然而当前发动机中使用到的传感器均是为了控制或者监控安装的，并不能涵盖部件寿命计算所需的所有工作参数；同时由于材料的限制，传感器不能工作在极端恶劣的条件下（比如高压涡轮进口），因此只能为寿命延长控制提供有限的信息，那么此时则需要利用发动机模型来计算出寿命模型所需要的一些参数。

传统部件级发动机模型是可供选择之一，可以提供寿命计算所需的参数。部件级发动机模型是根据发动机各部件特性图、能量匹配以及各种试验修正得到的，它能够准确地计算出发动机在各种条件下运行时各截面的压力、温度，转子转速。然而，该模型在利用到寿命延长控制中时依然有一定的缺陷，首先部件级模型都是较为复杂的程序，计算时间较长，并不适合作为机载实时模型，其次，尽管部件级发动机模型能够提供准确度高的数据，但这些数据依然不能够覆盖所有的关键部件。

延寿控制理想的发动机模型应该是1个简单高效的模型，其运行速度快，但却可以较为准确地计算发动机稳态和过渡态参数。同时它可以根据发动机传感器测得的参数对发动机模型进行及时的更新，以适应发动机性能的退化。LEC期望的发动机模型与传统模型对比见表4。

表4 LEC期望的发动机模型与传统模型对比

3 航空发动机LEC控制结构

3.1 航空发动机LEC基本结构

可重复利用火箭发动机中设计了1种开环的延寿控制结构，但航空发动机整个寿命比火箭发动机要长得多，其在整个服役期限内，发动机性能会发生变化，因此仿照可重复利用火箭发动机中，设计1个开环的延寿控制来减少部件损伤是不合适的。

LEC控制如图2所示[20]，数字电子控制器根据输入马赫数、温度以及来自飞行员的动力需求产生合适的期望输出，经过与发动机实际输出比较后得到偏差值，跟踪控制器根据偏差计算发动机控制量；而LEC只在损伤累积超出限定值时进行干预。但这种结构存在一定缺陷，如果LEC尝试连续改变控制量时，原有的数字电子控制器会将LEC修正量当成系统干扰，进而进行修正，此时，2个控制器将发生冲突。因此需要新的方法来协调LEC与DEC的关系。

考虑到部件损伤的动态特性要比发动机本身的动态特性缓慢得多，因此LEC很少需要一直处于控制状态，即在正常条件下，依然是原有的数字电子控制占据主导地位，而LEC仅监视部件损伤情况。当LEC发现当前的运行会对部件损伤产生巨大变化时，可以对此情况产生1个快速的修正信号，来避免危险情况的发生，或者LEC直接对功率设定或控制器进行修正，即为多级延寿控制的思想。

3.2 航空发动机多级延寿控制系统结构

延寿控制的思想是通过修正发动机运行，在保证发动机动态性能的同时使关键部件损伤最小化，因此，首先必须满足最基本的加减速功能，再考虑延长系统部件寿命。在文献[15]中提出1种多级延寿控制系统结构如图3所示。

从图中可见，传统的性能控制器被放在最底层——执行层中，这层控制器是实时运行的；协调层分析发动机信息对发动机及其部件的健康状况进行评估，并在线优化，这些工作是在线运行的，但不必实时；最高层为监视层，本层是离线运行，根据外部指令以及发动机健康状况，确定发动机控制模式。

（1）执行层：在执行层中包含发动机部件级模型、变增益PID控制器，其中部件级模型来自于现有的发动机部件级模型，其输入包括飞行外部条件、控制器输入、发动机性能退化量，输出为发动机参数（包括高低压转子转速、压力、温度）；变增益PID控制器根据发动机反馈和高层指令，结合发动机各种限制给出合适的控制量。

（2）协调层：协调层包括发动机性能和损伤估算以及延寿控制器，其中性能估算部分根据发动机实时输出，利用卡尔曼滤波结合最优估计理论估算发动机性能退化水平，延寿控制器根据发动机性能退化量或发动机运行状态，调整延寿控制器的控制策略，给出最优的控制性能。而损伤估算部分主要是为监视层服务，通过实时监视发动机关键部件的损伤情况，为监视层提供发动机部件损伤情况。

（3）监视层：监视层实时监视发动机损伤以及飞行器损伤情况，当发动机或飞行器受损时，需要发动机提供额外的推力或加快响应时间时，监视层激活发动机应急控制，通过调整发动机控制中的各项约束，在短时间内提升发动机的推力，缩短发动机响应时间，以保证飞行器安全降落至地面。

4 结论

（1）完善发动机模型。由于发动机部件寿命计算需要大量的参数，而部分参数（如涡轮前温度）不能直接测量，必须依赖发动机模型的计算结果。当前机载模型仅能提供少量参数，不能满足寿命计算；而部件级模型计算量大，不满足实时计算要求。因此需要结合机载模型和部件级模型各自特点，建立适合延寿控制使用的发动机模型。

（2）建立关键部件和发动机寿命模型。寿命模型是LEC的关键技术，也是其难点之一。这里的寿命模型不同于以往的稳态寿命模型，而是能够根据发动机运行过程中的参数，实时的计算部件疲劳寿命。要在发动机运行过程中的每个主要循环后进行寿命计算和更新，并能根据运行条件，实时计算当前工作循环后的发动机和部件的寿命。

寿命模型既要考虑准确度，也要满足实时计算需要，同时应该尽可能将试验验证和经验总结知识考虑进去。

（3）研究延寿控制计划。将寿命模型用于寿命延长控制，重点对加速过程进行研究，通过将发动机关键部件寿命作为1个约束，对发动机加速控制计划进行优化，以期在保证发动机加速性能的同时，尽可能的减小发动机关键部件的损伤，延长发动机使用寿命。

（4）数字电子控制系统实现。由于部件或整机寿命的延长是通过对发动机性能折中和综合优化得到的，为避免性能控制器与延寿控制发生冲突，因此需要建立多级延寿控制系统，通过分级管理的手段，实现发动机性能和延寿目标。

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