航空燃气涡轮发动机的起动控制与试验研究

袁俊

（中国航发常州兰翔机械有限责任公司，江苏 常州 213022）

燃气涡轮发动机具有耗油量低、推重比高等优点，是目前应用最广泛的航空发动机，被普遍用于客机、战斗机、直升机、无人机、巡航导弹等航空飞行器的动力需求之中。但同时航空燃气涡轮发动机的结构复杂、制造精度要求高，为保障其正常运行，在发动机设计制造完成后，还需要对其进行整机试验和起动控制试验。其中，起动控制试验主要是评测燃气涡轮发动机在起动过程中，是否存在起动问题。由于燃气涡轮发动机在起动过程中，很容易因为供油量不够精确而出现“热悬挂”和超温问题。因此，有必要提出合理的起动控制方案，以实现对航空燃气涡轮发动机起动过程的良好控制，避免超温问题对发动机性能的损坏，提高发动机起动成功率，并应利用试验模拟的方式验证起动控制方案的效果与可行性。

本文以某型航空燃气涡轮发动机为研究对象，提出了发动机起动控制方案，并根据发动机特点和起动控制试验的要求，搭建了发动机起动控制试验测试系统；然后，对起动控制方案进行试验，并根据试验结果调整优化起动过程供油量调整控制参数，使发动机起动过程中涡轮出口的燃气最高温度有大幅度降低，且温度到达峰值时间也有所缩短。这也证明了通过起动控制方案的实施及调整优化，能实现燃气涡轮发动机起动控制过程中的精确供油，从而很好地避免了发动机燃烧室、涡轮、尾喷管等热端部件气流通道中的燃气温度超温对发动机的损坏。此外，该起动控制试验的结果，也为燃气涡轮发动机后续结构与性能的优化设计，提供了有益的参考。

1 燃气涡轮发动机的工作原理及起动控制常见问题

1.1 主要结构与工作原理

航空燃气涡轮发动机，其主要是由进气通道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管这五个主要部件所构成，典型结构图1 所示。其主要工作原理为：压气机将空气通过进气通道吸入；压气机叶片将空气压缩为高压空气，导入进燃烧室；燃烧室内高压空气与燃油混合燃烧，生成高温高压燃气；高温高压燃气推动涡轮高速旋转，涡轮旋转又带动压气机；燃气在尾喷管膨胀喷出，产生较大的推动力量，带动航空飞行器的飞行。

图1 典型燃气涡轮发动机的总结结构截面示意图

1.2 燃气涡轮发动机起动过程中的“热悬挂”和超温问题

燃气涡轮发动机在起动过程中，很容易因为供油量不够精确而出现“热悬挂”和超温问题。“热悬挂”是指发动机转速不会随着供油上升而提高，甚至会出现下降。当燃气涡轮发动机起动过程中出现“热悬挂”时，发动机的燃烧室、涡轮、尾喷管出口温度会急剧升高，不仅容易导致发动机热端零部件因过大的热载荷而受到损坏，而且严重时甚至会导致发动机运行故障，影响发动机的正常使用寿命。

因此，有必要提出相应的起动控制方案，并通过试验验证及调整优化，从而有效解决燃气涡轮发动机起动过程中常见的超温问题。

2 燃气涡轮发动机起动过程中的控制方案

为了有效地解决燃气涡轮发动机因为供油量不够精确，在起动控制过程中容易出现的“热悬挂”和超温问题。本文以某型燃气涡轮发动机为研究对象，从硬件和软件这两个角度入手，提出了其起动控制方案。

（1）硬件方案。设计采用燃气涡轮发动机电子控制器，其工作原理是利用电子控制器的主控单元和信号传输单元，以实时接收发动机的排气温度、转速等参数信号，并根据参数信号与预设参数进行对比，以发送动态化的控制命令传输到步进电机。该控制器在发动机起动控制中的应用结构框架（如图2 所示），主要由电子控制器（主控单元）、传感器（信号传输单元）、油路系统、油泵、步进电机驱动单元等共同组成。

图2 控制器在发动机起动控制中的应用结构框架

其中，电子控制器主要负责采集和处理各传感器传输的温度信号，并通过相应的控制算法，将控制命令输出到步进电机，以精确调整供油泵出口油针开度，控制发动机起动阶段的供油量。

（2）软件方案。燃气涡轮发动机起动控制的软件方案，主要为设计开发与硬件优化方案相匹配的测控软件。测控软件采用模块化思想，根据硬件控制器的实际需求，将软件功能集成实现以下功能模块：①传感器数据的采集功能；②数据显示与存储功能；③参数设置功能；④数据处理与传输功能，以实现发动机起动过程中的起动控制、加减速控制、停车控制等操作，如图3 所示。

图3 起动控制软件的功能模块框架

3 燃气涡轮发动机起动控制试验模拟验证

3.1 起动控制试验测试系统的搭建

起动控制试验主要是评测燃气涡轮发动机在起动过程中，是否存在超温问题，通过将试验过程中排气温度值与预设温度值进行对比分析，以真实客观地测评出发动机的运行可靠性与起动性能。

本文采用试验模拟的方式，以验证燃气涡轮发动机起动控制方案的效果与可行性。首先，应根据燃气涡轮发动机特点和起动控制方案的要求，在发动机试验台上搭建起动控制试验测试系统，主要由试验用发动机、安装平台、供油系统、数据采集系统、电子控制器以及测控软件等共同组成。

其中，数据采集系统是燃气涡轮发动机起动控制试验的重要组成部分，该系统主要用于发动机试验数据的调理转换、自动采集和管理功能。由于发动机试验中，测量参数数据的类型较多，包括压力、转速、温度、流量等。这就需要数据采集系统将传感器接受的响应信号，转化为统一的4 ～20mA 电压信号，并将信号分别送往电子控制器，进行数据的采集、记录、分析与管理。然后电子控制器再根据相应的控制算法，将控制命令输出到步进电机，以精确调整发动机供油泵出口的油针开度，控制发动机起动阶段的供油量，实现供油量的精确控制。

3.2 试验数据信息的采集

由于燃气涡轮发动机在起动控制中，很容易因为供油量不够精确而出现超温问题。为了验证起动控制方案对解决超温问题的有效性，本次试验主要对起动过程中燃气涡轮发动机的涡轮出口的温度数据T 进行测量，以检验试验的效果与可行性。同时根据试验结果，调整优化控制算法中的相关参数，修正发动机起动过程中的供油量，以降低起动温度并保证起动成功。本次试验中温度数据信息的采集，采用的是K 型镍硅热电偶温度探头，其测温范围可达到1400℃，远高于燃气涡轮发动机各零部件的正常工作温度，能充分满足测量要求。

3.3 试验结果分析

利用测控计算机进行曲线绘制，可得出起动控制方案参数优化前后，燃气涡轮发动机起动控制阶段。在试验中，为降低试验数据误差，在涡轮出口设置了两根K 型镍硅热电偶温度探头。在采取优化方案后，涡轮出口的温度峰值有明显降低，从757 ℃降低到705℃，最高温度峰值差达到了52℃，且两个温度探头所测得的温度峰值都有所提前，避免了发动机热端零部件长期受到高热载荷的影响而受损。这也证明了通过该优化方案的实施，能实现燃气涡轮发动机起动控制过程中的精确供油，从而很好地避免发动机燃烧室、涡轮、尾喷管等热端部件气流通道中的燃气温度超温问题对发动机的损坏。

4 结语

当燃气涡轮发动机起动过程中出现“热悬挂”时，发动机的燃烧室、涡轮、尾喷管等热端部件气流通道中的燃气温度会急剧升高，不仅容易导致发动机各类零部件因过大的热载荷而受到损坏，而且严重时甚至会导致发动机运行故障，影响发动机的正常使用寿命。为了有效解决燃气涡轮发动机因为供油量不够精确，在起动控制过程中容易出现的“热悬挂”和超温问题，本文以某型燃气涡轮发动机为研究对象，从硬件和软件这两个角度入手，提出了其起动控制方案，并利用试验模拟的方式验证了该方案的效果与可行性。同时根据试验结果，对起动控制方案供油量控制算法相关参数进行调整优化，通过优化前后温度数据的对比，发现起动控制过程中发动机涡轮出口的最高温度大幅度降低，且温度到达峰值的时间也有所提前，从而有效地避免了起动超温问题对发动机热端部件性能及使用寿命的损坏。