论文部分内容阅读
[摘 要]发动机稳态控制规律设计是发动机设计过程的重要环节，对于小涵道比涡扇发动机控制规律设计国内已积累了大量的经验，而大涵道比涡扇发动机设计在国内刚刚起步，在发动机控制规律设计上没有太多的经验可以借鉴。本文通过模型计算结果，分析不同控制规律下外界条件因素对大涵道比涡扇发动机典型状态主要性能参数的影响，总结各因素对其稳态性能的影响规律，并结合大涵道比涡扇发动机设计特点给出大涵道比涡扇发动机稳态控制规律的设计建议。
[关键词]大涵道比；涡扇发动机；控制规律；外界条件
中图分类号：V235.13 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）12-0104-03
Research On Control Laws of High Bypass Ratio Turbofan Engines In The Impact of Various Ambient Condition
[Abstract]Steady-state control law design is a significant part in the design process of turbofan engines. Plenty of experience based on the analysis and design of control law in the low bypass ratio turbofan engine has been accumulated， however， the study in the field of high bypass ratio turbofan engine is just getting started. Thus no rich experience can draw lessons. The present paper introduces the impact of various ambient and operating conditions on the main performance parameters of the high bypass ratio turbofan engines working on the typical states and the various control laws. Combining the characteristics of the design process on high bypass ratio turbofan engine， this paper also summarizes some advices and basic laws.
[Key words]High Bypass Ratio； Turbofan Engine； Control law； Ambient Condition
1 引言
大涵道比涡扇发动机是指涵道比4以上的涡扇发动机。由于大涵道比涡扇发动机的耗油率低、噪声小，被广泛用于大型民用和军用运输机以及其他大型亚声速飞机，如加油机、预警机、反潜机等，这类发动机具有长寿命、高可靠性的特点。作为现代运输类飞机的动力装置，对发动机能够稳定可靠的工作提出了更高的要求。在发动机完成总体性能方案设计后，开始对发动机的稳态控制规律和其它控制规律进行设计，在控制规律设计过程中，除要考虑使发动机性能满足飞机的各项指标外，还需要结合发动机的特点，使其控制效率达到最佳，以减小外部因素对发动机稳态性能的影响。
在控制规律设计过程中，需要对影响发动机稳态性能的各种因素进行分析，平衡各影响因素之间的关系，选择最有利于发动机性能发挥的控制方案。本文通过建立大涵道比涡扇发动机稳态数学模型，对影响发动机稳态性能的主要因素进行分析，研究大涵道比涡扇发动机稳态控制规律的特点，为大涵道比涡扇发动机稳态控制规律设计提供依据。
2 影响发动机稳态性能的因素
由于航空发动机的工作条件极其复杂，稳态性能除受油门杆位置的影响，还受到飞机引气和功率提取接通、切断影响，另外环境温度和压力、空气湿度等也会对发动机的稳态工作产生影响，除这些外部因素外，发动机自身的磨损也会对发动机的工作产生影响。通过归纳总结，影响发动机稳态性能的因素主要分為以下三类：
1.因素—使用中的部件磨损效率变化、部件污染；
2.因素—控制系统误差；
3.条件—飞行速度，周围空气温度、飞机引气和功率提取、相对湿度等。
由于外部条件对发动机稳态性能的影响直接体现在不同稳态控制变量选择上，本文主要围绕外界条件对大涵道比涡扇发动机主要的稳态性能影响进行分析。
3 大涵道比涡扇发动机典型的稳态控制参数
发动机的控制规律是根据外界条件或指令来改变可控变量，以保证发动机被控参数不变或按预定的规律变化，从而达到控制发动机推力的目的。被控参数可选择能代表发动机性能和机械强度的转速，或者决定发动机性能和高温负荷的涡轮前燃气温度，或者直接反映推力水平的发动机压比[1-4]。
对于涡轮风扇发动机，典型的稳态性能控参数一般包括NLcor、NHcor和EPR等，对几何不可调的涡扇发动机可选择其中的一个参数作为被控参数。当然，每一个被控参数都有自己的优缺点，在控制规律设计过程中，设计人员需要根据每型发动机的特点和需要满足的性能指标要求，并结合不同被控参数的特点，选择不同的参数用于发动机稳态性能控制。涡轮风扇发动机常用的控制参数具有以下特点。
a.NHcor控制
在大多数情况下，涡轮前燃气温度近似地和高压压气机转速的平方成正比。因此，按NHcor控制能保持发动机的机械负荷和热负荷不变。基于这一原因，大多数涵道比不是很高的涡轮风扇发动机都会选择NHcor作为被控参数。 b.NLcor控制
对于大涵道比发动机，大部分推力由外涵产生，外涵产生的推力主要取决于流过外涵的空气流量，而风扇转速决定外涵的空气流量。因此，对于大涵道比发动机，控制NLcor比控制NHcor对推力的影响更有效。
c.EPR控制
发动机总压比EPR，即涡轮后压力与发动机进口压力之比，虽然不能反映发动机的受力和热状况，但它是工作过程参数，对推力和耗油率有直接影响。实践证明，EPR调节方案要求的测量精度最低，而EPR的测量精度较高，以它为被控参数对保证控制精度和降低控制装置成本是有利的。但EPR测量的可靠性不高，而且反推力状态不能由EPR控制，因此需要转速控制的备份，增加了控制系统的复杂性。
4 大涵道比涡扇发动机稳态性能影响分析
为研究大涵道比涡扇发动机稳态性能影响因素（外界条件）在上述三种不同的控制参数下对发动机稳态性能的影响情况，将以某大涵道比涡扇发动机为基础，特选定以下两个主要的工况进行对比分析：起飞状态（ISA，Н=0km， М=0）和最大巡航状态（ISA，Н=11km， М=0.8）。
4.1 大气温度对发动机稳态性能的影响
a）外界大气温度变化对推力的影响
b）外界大气温度变化对排气温度的影响
4.2 飞行速度对发动机稳态性能的影响
由以上结果可知，在起飞状态，马赫数对推力在NLcor控制时影响最大，EPR控制次之，NHcor控制影响最小；对排气温度的影响，NHcor控制影响最大，EPR控制次之，NLcor控制影响最小。在巡航状态，马赫数对推力在EPR控制时影响最大， NLcor控制次之，NHcor控制影响最小；对排气温度的影响，NHcor控制影响最大，EPR控制次之，NLcor控制影响最小。至于哪种控制更能满足飞机要求，要综合飞机的推力需求以及发动机工作时的限温情况来确定。
4.3 飞机引气对发动机稳态性能的影响
飞机引气对发动机的工作有很大影响，而且不同的控制规律下引气对发动机的性能影响不同。
4.4 功率提取对发动机稳态性能的影响
4.5 大气湿度的影响
考虑对发动机在实际气候条件下运行的可能性，评估不同大气湿度对发动机起飞状态主要参数影响有重要意义。本文给出，在Н=0，М=0，pн=101.325kPa，tн=+30℃ （起飞状态）条件下采用不同调节参数，当相对湿度在（0～100）%变化时影响计算结果。
5 大涵道比涡扇发动机稳态控制规律设计
根据稳态性能影响因素分析结果，综合各因素对发动机稳态控制性能的影响表明，NLcor和EPR均可作为大涵道比涡轮风扇发动机稳态控制参数，至于选择那个作为最终方案，除考虑发动机自身的特点外，不同发动机公司都有自己的传统。例如：GE公司一般采用NLcor，而普惠和RR公司一般采用EPR[8]。当然，发动机稳态控制参数选取只是发动机稳态控制规律设计的一个环节，由于外部因素对发动机的稳态性能也会产生一定影响，因此，稳态控制规律设计选择NLcor和EPR作为主要的状态控制变量的同时，也需要增加一些修正因子，以减小外部因素对发动机稳态性能的影响。
下面结合某大涵道比涡扇发动机简要说明稳态控制规律（以NLcor为稳态控制变量）的设计。
在选择NLcor作为控制变量的基础上，首先需要根据飞机的要求，通过计算得到标况下，无飞机引气和功率提取，不考虑湿度影响等条件下的发动机控制规律：
；
为标况下，不考虑环境因素影响时，满足飞机指标时发动机的控制目标转速。为了减小各外部因素对发动机稳态性能的影响，需要增加相关修正因子，例如，高度修正因子、速度修正因子、引气修正因子、功率提取修正因子、湿度修正因子等。在考虑环境因素的情况下，发动机实际的控制目标转速为：
；
当然，各修正因子需要根据发动机实际的性能要求通过详细的计算得到，有些因子变化规律比较简单，可以是线性的，有些因子为了满足性能要求，需要设计的很复杂，这需要视情而定。
6 结论
（1）通过模型计算结果，定性的分析了各外界因素对发动机稳态性能的影响，总结出了大涵道比涡扇发动机稳态控制规律设计的特点；
（2）对比说明了NLcor、NHcor、EPR等作为控制变量的特点，NHcor主要用于中小涵道比涡扇发动机稳态控制，而NLcor、EPR均可用于大涵道比涡扇发动机；
（3）结合某大涵道比涡扇发动机稳态控制规律设计，给出降低外界条件影响的方法，为国内大涵道比涡扇发动机控制规律设计提供了思路。
参考文献：
[1] ОСГуревич著.航空燃气涡轮发动机控制[R].邢家瑞译.沈阳，2003：2-5.
[2] Ю.Н.聂恰耶夫著.航空动力装置控制规律与特性[R].单凤桐程振海译.北京：国防工业出版社，1999：314-318.
[3] 贺尔铭.民用航空发动机控制原理及典型系统.北京：国防工业出版社，2002；2-5.
[4] 廉筱纯，吴虎.航空燃气涡轮发动机原理[M].西安：西北工业大学出版社，2001；195-201.
[5] 赵运生，胡骏，屠宝锋，等.功率提取与附加引气对涡扇發动机影响仿真[J].航空计算技术，2012，42（06）：34-36.
[6] 唐奇，甘在游，吕升林，等.某型发动机换算推力的湿度修正[J].燃气涡轮试验与研究，2008，21（1）：51-53.
[7] 李大为，李兆红，白伟.环境大气湿度对涡扇发动机性能影响计算分析[A].探索创新交流——第五届中国航空学会青年科技论坛文集（第5集）[C].2012.
[8] 李瑞军，李泳凡，刘建军，等.大涵道比涡扇发动机稳态调节规律分析[J]，航空发动机，2010.36（6）：8-11.
[关键词]大涵道比；涡扇发动机；控制规律；外界条件
中图分类号：V235.13 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）12-0104-03
Research On Control Laws of High Bypass Ratio Turbofan Engines In The Impact of Various Ambient Condition
[Abstract]Steady-state control law design is a significant part in the design process of turbofan engines. Plenty of experience based on the analysis and design of control law in the low bypass ratio turbofan engine has been accumulated， however， the study in the field of high bypass ratio turbofan engine is just getting started. Thus no rich experience can draw lessons. The present paper introduces the impact of various ambient and operating conditions on the main performance parameters of the high bypass ratio turbofan engines working on the typical states and the various control laws. Combining the characteristics of the design process on high bypass ratio turbofan engine， this paper also summarizes some advices and basic laws.
[Key words]High Bypass Ratio； Turbofan Engine； Control law； Ambient Condition
1 引言
大涵道比涡扇发动机是指涵道比4以上的涡扇发动机。由于大涵道比涡扇发动机的耗油率低、噪声小，被广泛用于大型民用和军用运输机以及其他大型亚声速飞机，如加油机、预警机、反潜机等，这类发动机具有长寿命、高可靠性的特点。作为现代运输类飞机的动力装置，对发动机能够稳定可靠的工作提出了更高的要求。在发动机完成总体性能方案设计后，开始对发动机的稳态控制规律和其它控制规律进行设计，在控制规律设计过程中，除要考虑使发动机性能满足飞机的各项指标外，还需要结合发动机的特点，使其控制效率达到最佳，以减小外部因素对发动机稳态性能的影响。
在控制规律设计过程中，需要对影响发动机稳态性能的各种因素进行分析，平衡各影响因素之间的关系，选择最有利于发动机性能发挥的控制方案。本文通过建立大涵道比涡扇发动机稳态数学模型，对影响发动机稳态性能的主要因素进行分析，研究大涵道比涡扇发动机稳态控制规律的特点，为大涵道比涡扇发动机稳态控制规律设计提供依据。
2 影响发动机稳态性能的因素
由于航空发动机的工作条件极其复杂，稳态性能除受油门杆位置的影响，还受到飞机引气和功率提取接通、切断影响，另外环境温度和压力、空气湿度等也会对发动机的稳态工作产生影响，除这些外部因素外，发动机自身的磨损也会对发动机的工作产生影响。通过归纳总结，影响发动机稳态性能的因素主要分為以下三类：
1.因素—使用中的部件磨损效率变化、部件污染；
2.因素—控制系统误差；
3.条件—飞行速度，周围空气温度、飞机引气和功率提取、相对湿度等。
由于外部条件对发动机稳态性能的影响直接体现在不同稳态控制变量选择上，本文主要围绕外界条件对大涵道比涡扇发动机主要的稳态性能影响进行分析。
3 大涵道比涡扇发动机典型的稳态控制参数
发动机的控制规律是根据外界条件或指令来改变可控变量，以保证发动机被控参数不变或按预定的规律变化，从而达到控制发动机推力的目的。被控参数可选择能代表发动机性能和机械强度的转速，或者决定发动机性能和高温负荷的涡轮前燃气温度，或者直接反映推力水平的发动机压比[1-4]。
对于涡轮风扇发动机，典型的稳态性能控参数一般包括NLcor、NHcor和EPR等，对几何不可调的涡扇发动机可选择其中的一个参数作为被控参数。当然，每一个被控参数都有自己的优缺点，在控制规律设计过程中，设计人员需要根据每型发动机的特点和需要满足的性能指标要求，并结合不同被控参数的特点，选择不同的参数用于发动机稳态性能控制。涡轮风扇发动机常用的控制参数具有以下特点。
a.NHcor控制
在大多数情况下，涡轮前燃气温度近似地和高压压气机转速的平方成正比。因此，按NHcor控制能保持发动机的机械负荷和热负荷不变。基于这一原因，大多数涵道比不是很高的涡轮风扇发动机都会选择NHcor作为被控参数。 b.NLcor控制
对于大涵道比发动机，大部分推力由外涵产生，外涵产生的推力主要取决于流过外涵的空气流量，而风扇转速决定外涵的空气流量。因此，对于大涵道比发动机，控制NLcor比控制NHcor对推力的影响更有效。
c.EPR控制
发动机总压比EPR，即涡轮后压力与发动机进口压力之比，虽然不能反映发动机的受力和热状况，但它是工作过程参数，对推力和耗油率有直接影响。实践证明，EPR调节方案要求的测量精度最低，而EPR的测量精度较高，以它为被控参数对保证控制精度和降低控制装置成本是有利的。但EPR测量的可靠性不高，而且反推力状态不能由EPR控制，因此需要转速控制的备份，增加了控制系统的复杂性。
4 大涵道比涡扇发动机稳态性能影响分析
为研究大涵道比涡扇发动机稳态性能影响因素（外界条件）在上述三种不同的控制参数下对发动机稳态性能的影响情况，将以某大涵道比涡扇发动机为基础，特选定以下两个主要的工况进行对比分析：起飞状态（ISA，Н=0km， М=0）和最大巡航状态（ISA，Н=11km， М=0.8）。
4.1 大气温度对发动机稳态性能的影响
a）外界大气温度变化对推力的影响
b）外界大气温度变化对排气温度的影响
4.2 飞行速度对发动机稳态性能的影响
由以上结果可知，在起飞状态，马赫数对推力在NLcor控制时影响最大，EPR控制次之，NHcor控制影响最小；对排气温度的影响，NHcor控制影响最大，EPR控制次之，NLcor控制影响最小。在巡航状态，马赫数对推力在EPR控制时影响最大， NLcor控制次之，NHcor控制影响最小；对排气温度的影响，NHcor控制影响最大，EPR控制次之，NLcor控制影响最小。至于哪种控制更能满足飞机要求，要综合飞机的推力需求以及发动机工作时的限温情况来确定。
4.3 飞机引气对发动机稳态性能的影响
飞机引气对发动机的工作有很大影响，而且不同的控制规律下引气对发动机的性能影响不同。
4.4 功率提取对发动机稳态性能的影响
4.5 大气湿度的影响
考虑对发动机在实际气候条件下运行的可能性，评估不同大气湿度对发动机起飞状态主要参数影响有重要意义。本文给出，在Н=0，М=0，pн=101.325kPa，tн=+30℃ （起飞状态）条件下采用不同调节参数，当相对湿度在（0～100）%变化时影响计算结果。
5 大涵道比涡扇发动机稳态控制规律设计
根据稳态性能影响因素分析结果，综合各因素对发动机稳态控制性能的影响表明，NLcor和EPR均可作为大涵道比涡轮风扇发动机稳态控制参数，至于选择那个作为最终方案，除考虑发动机自身的特点外，不同发动机公司都有自己的传统。例如：GE公司一般采用NLcor，而普惠和RR公司一般采用EPR[8]。当然，发动机稳态控制参数选取只是发动机稳态控制规律设计的一个环节，由于外部因素对发动机的稳态性能也会产生一定影响，因此，稳态控制规律设计选择NLcor和EPR作为主要的状态控制变量的同时，也需要增加一些修正因子，以减小外部因素对发动机稳态性能的影响。
下面结合某大涵道比涡扇发动机简要说明稳态控制规律（以NLcor为稳态控制变量）的设计。
在选择NLcor作为控制变量的基础上，首先需要根据飞机的要求，通过计算得到标况下，无飞机引气和功率提取，不考虑湿度影响等条件下的发动机控制规律：
；
为标况下，不考虑环境因素影响时，满足飞机指标时发动机的控制目标转速。为了减小各外部因素对发动机稳态性能的影响，需要增加相关修正因子，例如，高度修正因子、速度修正因子、引气修正因子、功率提取修正因子、湿度修正因子等。在考虑环境因素的情况下，发动机实际的控制目标转速为：
；
当然，各修正因子需要根据发动机实际的性能要求通过详细的计算得到，有些因子变化规律比较简单，可以是线性的，有些因子为了满足性能要求，需要设计的很复杂，这需要视情而定。
6 结论
（1）通过模型计算结果，定性的分析了各外界因素对发动机稳态性能的影响，总结出了大涵道比涡扇发动机稳态控制规律设计的特点；
（2）对比说明了NLcor、NHcor、EPR等作为控制变量的特点，NHcor主要用于中小涵道比涡扇发动机稳态控制，而NLcor、EPR均可用于大涵道比涡扇发动机；
（3）结合某大涵道比涡扇发动机稳态控制规律设计，给出降低外界条件影响的方法，为国内大涵道比涡扇发动机控制规律设计提供了思路。
参考文献：
[1] ОСГуревич著.航空燃气涡轮发动机控制[R].邢家瑞译.沈阳，2003：2-5.
[2] Ю.Н.聂恰耶夫著.航空动力装置控制规律与特性[R].单凤桐程振海译.北京：国防工业出版社，1999：314-318.
[3] 贺尔铭.民用航空发动机控制原理及典型系统.北京：国防工业出版社，2002；2-5.
[4] 廉筱纯，吴虎.航空燃气涡轮发动机原理[M].西安：西北工业大学出版社，2001；195-201.
[5] 赵运生，胡骏，屠宝锋，等.功率提取与附加引气对涡扇發动机影响仿真[J].航空计算技术，2012，42（06）：34-36.
[6] 唐奇，甘在游，吕升林，等.某型发动机换算推力的湿度修正[J].燃气涡轮试验与研究，2008，21（1）：51-53.
[7] 李大为，李兆红，白伟.环境大气湿度对涡扇发动机性能影响计算分析[A].探索创新交流——第五届中国航空学会青年科技论坛文集（第5集）[C].2012.
[8] 李瑞军，李泳凡，刘建军，等.大涵道比涡扇发动机稳态调节规律分析[J]，航空发动机，2010.36（6）：8-11.