中等推力航空发动机喷口控制方法对比研究

王 松，高亚辉，段绍栋，王建锋，王振华

（中国航发控制系统研究所，江苏无锡214063）

0 引言

尾喷管是发动机的重要组成部分，燃气发生器排出的高压燃气膨胀加速后通过尾喷管排出发动机，从而将燃气的可用功转化为动能，给发动机提供反作用力，从而产生推力。尾喷管喉道（喷口）面积控制系统同样是发动机控制系统的重要组成部分，通过改变尾喷管喉道面积，调节气流在尾喷管和涡轮中膨胀比的分配，从而达到控制发动机工作状态的目的[1-9]。

随着飞机和发动机性能的不断提升，对发动机喷口喉道面积的控制要求日趋提高。由控制简单的收敛喷口到控制收扩喷口的喉道面积和扩散段面积。随着推力矢量喷口的发展，控制策略又由控制喷口面积发展到同时控制喷口面积和喷口转向[10-11]。发动机喷口面积控制一般采用闭环控制。有的发动机采用低压涡轮落压比为常数的闭环控制，使得加力状态时保持发动机主机状态不变；也有的采用转差（压气机转速N2和风扇转速N1之间具有期望的转差）控制来保证工作过程中的气动稳定性，提高工作效率，降低潜在的失速或喘振风险[12-15]。

本文以某型中等推力发动机为研究对象，采用等落压比控制方法和转差控制方法，利用台架试验对比喷口控制并分析了对发动机性能的影响。

1 等落压比控制方法

某型中等推力发动机等落压比控制原理如图1所示。其采用落压比Pit为主控制计划，通过落压比PID调节器闭环运算得到喷口控制给定，再经过喷口伺服回路调节器运算输出电流控制喷口执行机构动作，调节进入喷口作动筒有杆腔和无杆腔的燃油流量，控制喷口作动筒位置，达到期望的喷口喉道面积。为了保证落压比Pit不太小，控制系统需要限制喷口喉道面积不小于最小安全面积，在喷口控制中增加最小喷口限制线A8_lim限制。其中，为了保证喷口控制具有较快的响应速度，通常喷口串级PID调节器的“内环”及“外环”均采用位置式PID调节器。控制参数选取需要综合考虑稳态和动态性能，工程中一般采用试凑法，由于外环（落压比控制回路）受到发动机状态的影响，通常需要在发动机台架试验中进行调试，在每台发动机典型的压气机换算转速点获取1组控制参数，即控制参数为压气机换算转速的函数；而内环（喷口控制回路）主要与液压执行机构有关，不受发动机状态的影响，通常在半物理模拟试验台进行液压伺服回路闭环试验时获取1组控制参数即可。

图1 喷口等落压比控制原理

等落压比控制计划常用于大推力发动机中，在加力状态下保持发动机主机状态不变，而中等推力发动机的落压比Pit的范围较窄，在常温下发动机从慢车状态到中间状态Pit的变化约为5.23～6.57，变化范围约为1.34，因此控制变量落压比Pit的分辨率很低，即Pit变化很小，发动机状态就会变化很大，难以精确调整发动机状态。而且在该控制计划下，节流状态的落压比期望值Pit_dem很难通过计算或者试验得到，使得发动机在节流状态下喷口一直受到最小限制线A8_lim限制，只有在中间状态下落压比Pit才可能投入闭环控制。而中等推力发动机对在节流状态下的耗油率是有较高要求的，在节流状态下喷口一直受到最小限制线A8_lim限制后，只能通过调整风扇导叶角度控制计划、压气机导叶角度控制计划或者压气机转速控制计划调整发动机特性，但是调整这些控制计划均难以有效降低发动机油耗。

相比之下，大推力涡扇发动机比中等推力发动机的落压比Pit变化范围宽很多，以某型大推力发动机为例，从慢车状态到中间状态下Pit变化为3.8～10，变化范围约为6.2，是该型中等推力发动机Pit变化范围的4.63倍左右。因此，大推力涡扇发动机特性对Pit的敏感性要强很多。由于装机对象的不同，发动机对在节流状态下的性能要求也不同，中等推力发动机主要配装歼击机，机动性要求较高，对在节流状态下的喷口控制功能性能要求更为苛刻。

总之，以落压比Pit为喷口控制的主控制计划对中等推力发动机并不合适，还需要寻找1种更适合的喷口控制方法。

2 转差控制方法

某型俄制中等推力发动机的喷口控制是以发动机转差为主控制计划，即通过控制风扇转速N1达到期望的发动机转差，来保证工作过程中的气动稳定性，提高工作效率，降低潜在的失速或喘振风险。而从慢车状态到中间状态下风扇转速N1变化为40.7%～98.7%，变化范围约为58%，因此控制变量风扇转速N1的分辨率很高，可以通过微调风扇转速N1达到精确调整发动机节流状态性能的目的。并且相关资料中明确提到转差控制能够降低发动机耗油率。转差控制原理如图2所示。从图中可见，采用转差控制为主控制计划，通过转差PID调节器闭环运算得到喷口控制给定，再经过喷口伺服回路调节器运算输出电流控制喷口执行机构动作，调节进入喷口作动筒有杆腔和无杆腔的燃油流量，控制喷口作动筒位置，达到期望的喷口喉道面积。另外，为了保证落压比Pit范围，在喷口控制中增加最小落压比Pit_min、最大落压比Pit_max、最小喷口限制线A8_lim限制。同理，串级PID调节器的“内环”及“外环”均采用位置式PID调节器，保证喷口控制具有较快的响应速度，此外，控制参数选取需要综合考虑稳态和动态性能。

图2 喷口转差控制原理

3 试验验证

基于以上喷口控制方法，对某型中等推力发动机台架进行试验验证，检验2种控制方法在实际台架试车中的效果。

喷口等落压比控制和喷口转差控制时发动机的稳态试验曲线如图3、4所示（图中N2r为压气机换算转速，A8_dem为喷口面积，N1_dem为风扇转速期望值），采用落压比控制和转差控制的油耗对比如图5所示。通过对比图3、4可见，采用转差控制后，由于从慢车状态到中间状态下N1变化范围大，控制变量分辨率较高，能够通过微调风扇转速N1精确调整节流状态发动机性能，喷口能够实现全程风扇转速N1闭环控制，可以通过调整转差控制计划达到降低发动机油耗的目的；而采用喷口落压比控制时，节流状态喷口一直被喷口最小限制线A8_lim限制，无法实现落压比闭环控制，只有到达中间状态后才能实现落压比闭环控制，难以通过精确调整落压比控制计划来调整发动机节流状态性能。从图5中可见，采用喷口转差控制后，发动机油耗有明显改善。

在全数字仿真平台上，对全包线的各典型点也进行验证，如图6～8所示。从图中可见，上述转差控制方法在全包线也都适用，在全包线范围内系统都是稳定的，均能满足发动机控制性能的要求。

图3 落压比控制试验曲线

图4 转差控制试验曲线

图5 2种控制方法节流至中间状态耗油率对比

图6 H=0 km、Ma=0全数字仿真试验曲线

图7 H=0km、Ma=1.06全数字仿真试验曲线

另外，该转差控制方法已随某型中等推力发动机进行了地面台架试验、高空模拟试验及飞行试验验证，如图9～11所示（图中PLA为油门杆角度），性能数据见表1。通过对比图9～11和表1可见，风扇转速N1稳态波动量在0.13%以内，N1超调量在1.5%内，N1下掉量在1.7%内，压气机转速N2的各项指标也在指标范围内。因此，该方法能够满足中等推力发动机对喷口控制的要求。

图8 H=11km、Ma=0.8全数字仿真试验曲线

图9 地面台架试验曲线

图10 H=9 km、Ma=0.8高空模拟试验曲线

图11 飞行试验曲线

表1 试验结果

4 结束语

本文通过台架试验对比分析，采用喷口等落压比控制方法和喷口转差控制方法对中等推力发动机性能的影响。2种控制方法的试验结果表明，喷口转差控制方法更易于发动机节流状态下性能的调整，发动机的耗油率也有明显降低，更适合作为中等推力发动机的喷口控制计划。本文提出的喷口转差控制方法完全适用于其他中等推力发动机，且实施方便、效果好，对提高中等推力发动机的工作性能具有重要作用。