三外涵变循环发动机模式切换控制计划设计

(南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016)

1 引言

变循环发动机作为一种极具发展前景的先进动力装置，其研究已受到各航空强国的高度重视[1-2]。其通过调节发动机关键部件的几何形状、尺寸或位置来改变发动机热力循环参数，从而平衡高单位推力和低耗油率之间的固有矛盾[3-4]。但是其工作模式的多样性和可调机构的复杂性所带来的强耦合、非线性等工作特点，极大地增加了变循环发动机的研究难度。保证变循环发动机在多种工作模式之间的平稳切换，且不同模式下都能达到预期性能，是变循环发动机重要研究内容之一。

控制计划是根据飞机操纵指令、飞行环境条件、当前工作状态确定发动机有关控制量或状态量的运行计划，是控制系统的顶层输入，为控制系统的设计和验证提供依据。而控制系统是决定航空发动机性能的一个关键功能系统。围绕上述问题进行变循环发动机模式切换控制计划的设计，对国内变循环发动机的发展研究有着重要的意义。

截至目前，国外公开资料中只对GE 公司的YF120变循环发动机的模式切换过程进行了较系统的报道，但其控制计划的设计方法被严格保密[5-8]。国内从变循环发动机过渡态特性分析的角度出发，对模式切换过程开展研究。苟学中等[9]分析了变循环发动机关键部件的工作原理，构建了带有核心机驱动风扇级(CDFS)的双外涵变循环发动机部件级模型，并进行了稳态和过渡态性能仿真。陈浩颖[10]采用增广LQR控制算法，对三涵道变循环发动机模式切换过程进行了小范围的性能仿真。张晓博等[11]建立了带有叶尖风扇(FLADE)的双外涵变循环发动机整机计算模型，采用可调参数线性调节的方法得到其模式切换过程的调节规律。目前国内的研究主要集中在双外涵变循环发动机，对于带有FLADE的三外涵变循环发动机及其模式切换过程的研究尚少。

基于以上考虑，本文以三外涵变循环发动机为研究对象，提出性能系数矩阵的概念，采用可调参数线性调节方式设计其模式切换控制计划。增加单-双外涵模式切换过程中风扇进口空气流量不变和双-三外涵模式切换过程中推力不变的性能约束，对控制计划进行改进设计，从模式切换时间、发动机性能参数波动等方面对仿真结果进行比较与分析，以期为变循环发动机模式切换控制计划设计提供一种新的思路。

2 三外涵变循环发动机结构

本文研究的三外涵变循环发动机结构如图1所示，在双外涵变循环发动机特有的模式选择活门MSV和后可变面积涵道引射器RVABI的基础上，增加FLADE 风扇和第三外涵道。FLADE 风扇是外接在常规风扇外围的一排短转子叶片，具有独立的可调导叶角。第三外涵道是独立的流道，可进一步提高涵道比，降低耗油率，减小安装阻力，降低排气温度[12]。FLADE 风扇和第三外涵道结构的增加，可减轻发动机进排气系统和飞机结构的质量，提升发动机的推重比，更好地适应飞机对发动机性能、功能和安全的综合需求[13]。

图1 三外涵变循环发动机结构图Fig.1 Structure of triple bypass variable cycle engine

三外涵变循环发动机可调参数，包括MSV的开度αMSV、第三外涵模式选择活门TSV的开度αTSV、RV⁃ABI 面积A6、尾喷管喉部截面积A8、风扇导叶角αFan、FLADE 风扇导叶角αFLADE、燃油流量Wfb。依据MSV和TSV的工作状态，主要分为三种工作模式：

(1)单外涵模式：MSV 和TSV 全部关闭，发动机涵道比减小，流过核心机的空气流量增大，处于高速大推力工作状态。

(2)双外涵模式：MSV 打开，TSV 关闭，发动机风扇进口空气流量增大，涵道比增大，推进效率增大，耗油率降低。

(3)三外涵模式：MSV 和TSV 全部打开，发动机风扇进口空气流量和涵道比调节范围进一步增大，发动机处于低耗油率的经济工作状态。

三种工作模式之间的切换过程，主要包括单-双外涵模式切换和双-三外涵模式切换。本文选取地面工作状态开展两种模式切换过程的控制计划设计。单外涵模式下发动机单位推力大、机动性增强，因此单-双外涵模式切换过程重点关注的性能参数是推力；三外涵模式下发动机涵道比提高、耗油率降低、经济性增强，因此双-三外涵模式切换过程重点关注的性能参数是耗油率。

3 基于性能系数矩阵的模式切换控制计划设计

变循环发动机可调参数众多，且各参数间存在较强的耦合性[14]，增加了其模式切换控制计划的设计难度。国内现有研究在分析变循环发动机模式切换过程的特性时，普遍采用单一可调参数调节的方法，缺少系统性的归纳整理，工作量繁多且重复试验。文献[15]采用参数置换的方法对变循环发动机进行稳态性能寻优，减少了优化过程中的无意义解，提高了优化效率。受此启发，本文提出性能系数矩阵概念，对试验方案进行优化，增加其系统性和规范性，分析不同模式切换过程中可调参数变化对发动机性能的影响，并设计了可调参数线性调节的控制计划。

3.1 性能系数矩阵

性能系数矩阵定义如下：

由于发动机模型是强非线性系统，无法正常计算求出偏导数，所以用差商的方法来代替偏导数。即给每个可调参数一个扰动量Δxi，计算各性能参数随之的相对变化量Δyj，从而得到新的性能系数矩阵：

三外涵变循环发动机不同模式切换过程的性能需求不同，所以需要分别计算单-双外涵模式切换过程和双-三外涵模式切换过程的性能系数矩阵，并设计相应的控制计划。

3.1.1 单-双外涵模式切换性能系数矩阵

单-双外涵模式切换过程中，发动机风扇进口空气流量变化显著，风扇性能参数波动较大。依据模式切换过程中发动机平稳安全过渡、增大推力的原则，选取可调参数为MSV开度、RVABI面积、尾喷管喉部截面积、风扇导叶角和燃油流量，性能参数为风扇喘振裕度、风扇进口空气流量、推力、低压轴转速和涡轮前温度，即=[αMSV,A6,A8,αFan,Wfb]，=[SMFan,Wa2,F,nl,T4]。给每个可调参数不同程度的扰动量，计算各性能参数随之的相对变化量，可得该模式切换过程中可调参数对各性能参数的整体影响趋势。

地面状态单-双外涵模式切换过程性能系数矩阵(5×5 阶)如表1 所示。双外涵切换至单外涵模式时，αMSV对SMFan、Wa2、F、T4呈正相关的影响趋势，对nl呈负相关的影响趋势。A6对SMFan呈负相关的影响趋势。A8对SMFan呈显著的正相关影响趋势，可通过增大A8来改善SMFan。当αMSV、A6、A8组合调节时，nl上升，T4增加，为保持模式切换过程安全过渡，需适当增大αFan来调节nl和T4。同时，为保证双外涵切换至单外涵时推力增大，需适当增加主燃油流量。据此设计出由αMSV、A6、A8、αFan、Wfb组合调节的单-双外涵模式切换过程控制计划。

表1 地面状态单-双外涵模式切换性能系数矩阵Table 1 Performance coefficient matrix of single-double bypass mode transition on the ground

3.1.2 双-三外涵模式切换性能系数矩阵

由于FLADE 风扇所在的第三外涵道的气流不参与掺混，直接排出大气，双-三外涵模式切换时风扇空气流量变化较大，对核心机影响较小，因此重点考虑风扇性能参数。依据该模式切换过程中发动机平稳安全过渡、降低耗油率的原则，选取的可调参数为TSV 开度、FLADE 导叶角、风扇导叶角、燃油流量，性能参数为涡轮前温度、风扇进口空气流量、推力和低压轴转速，即=[αTSV,αFLADE,αFan,Wfb]，=[T4,Wa2,F,nl]。

地面状态双-三外涵模式切换过程性能系数矩阵(4×4 阶)如表2 所示。双外涵切换至三外涵模式时，αTSV对T4、Wa2、F呈正相关的影响趋势，对nl呈负相关的影响趋势。为减小推力和流量波动范围，选取对推力和流量影响较大的αFan和Wfb进行调节。同时调节αFLADE进一步改善流量和推力。据此设计出由αTSV、αFLADE、αFan、Wfb组合调节的双-三外涵模式切换过程控制计划。

3.2 基于性能系数矩阵的控制计划设计

3.2.1 单-双外涵模式切换过程

根据表1的性能系数矩阵，经过反复的试凑和验证，制定了双-单外涵模式开环控制计划。进行仿真验证，结果见图2。由图可知，整个模式切换过程在3.4 s时完成，可调参数均采用线性调节：αMSV从100%减小到0，Wfb从0.805 9 kg/s增加到0.860 0 kg/s，A6从0.090 0 m2减小到0.076 0 m2，A8从0.110 0 m2增大到0.115 5 m2，αFan从0°增加到5°。模式切换过程中，F波动范围为4.10%，与双外涵模式相比，单外涵模式F增大3.44%；Wa2波动范围为4.30%；T4波动范围为1.60%；nl波动范围为3.43%，nh波动范围为0.97%，核心机的工作状态相对风扇更加稳定；SMFan由24.0%下降到6.0%，但仍在安全工作范围内；sfc增加3.37%。综上所述，单-双外涵模式切换过程中，发动机主要性能参数变化幅度在5%以内，模式切换在3.4 s完成，可认为其安全过渡并达到预期性能。但F、Wa2、T4、转速等性能参数出现了一定程度的波动，影响模式切换过程的平稳性。单外涵模式下，发动机呈现推力增大、耗油率增加的趋势，对应了单外涵模式机动性强、耗油率高的工作特点。

图2 双-单外涵模式开环控制计划及仿真结果Fig.2 Open-loop control schedule and simulation results of double-single bypass mode transition

3.2.2 双-三外涵模式切换过程

根据表2 的性能系数矩阵，经过反复的试凑和验证，制定了双-三外涵模式控制计划。进行仿真验证，结果见图3。由图可知，模式切换过程在4.0 s时完成，可调参数采用线性调节：αTSV从0 增加到100%，Wfb从0.805 9 kg/s 减小到0.790 0 kg/s，αFan从0°减小到-2°，αFLADE从0°增加到10°。模式切换过程中，F波动范围为1.50%；Wa2增加6.70%；FLADE风扇和常规风扇同轴，外涵道流量增加导致nl下降4.80%，nh基本保持不变；T4基本保持不变；sfc降低2.00%。可见，第三外涵道对核心机性能影响较小，增加第三外涵道的根本目的是通过增大涵道比来提高发动机推进效率，从而减小耗油率，提高经济性。双-三外涵模式切换过程中，主要性能参数变化幅度在5%左右，模式切换时间为4.0 s。

表2 地面状态双-三外涵模式切换性能系数矩阵Table 2 Performance coefficient matrix of double-triple bypass mode transition on the ground

图3 双外涵切换至三外涵模式开环控制计划及仿真结果Fig.3 Open-loop control schedule and simulation results of double-triple bypass mode transition

4 基于性能需求的模式切换控制计划改进设计

针对模式切换过程出现的风扇进口空气流量、推力等性能参数波动，依据两种模式切换过程中的不同性能需求，对上述控制计划进行改进设计。

4.1 模式切换控制计划的改进

4.1.1 单-双外涵模式切换控制计划的改进

单外涵工作模式下，发动机涵道比减小，单位推力增大，此时关注的是发动机的总推力，也就是机动性。从风扇进口空气流量保持不变、总推力增大、机动性增强的性能需求出发，对控制计划进行如下改进：A6、A8、αFan、Wfb依然按照3.2.1节的控制计划进行线性调节，增加模式切换过程中风扇进口空气流量不变的约束条件，可求出每个离散工作点对应的MSV 开度。在此约束条件下，发动机总推力增大，模式切换过程更加稳定，机动性增强。

约束条件：

4.1.2 双-三外涵模式切换控制计划的改进

双-三外涵工作模式下，发动机涵道比增大，单位耗油率降低，此时关注的是耗油率，也就是经济性。从推力保持不变、耗油率降低、经济性提高的性能需求出发，对控制计划进行如下改进：αFan、αFLADE和Wfb依然按照3.2.2节的控制计划进行线性调节，增加模式切换过程中推力不变的约束条件，可求出每个离散工作点对应的TSV 开度。在此约束条件下，三外涵模式耗油率更低，模式切换过程更加稳定，经济性提高。

约束条件：

4.2 改进前后控制计划对比分析

4.2.1 单-双外涵模式切换过程对比分析

将改进后的控制计划带入发动机模型中进行仿真验证，结果如图4所示。由图可知，改进后各性能参数变化如下：模式切换时间由3.4 s 变为2.4 s，缩短约30%；F波动范围由4.10%减小为0.61%，且没有出现过高的情况；改进后的Wa2基本保持不变，发动机工作状态更为稳定；nl波动范围由3.43%减小为0.97%，没有出现超转的情况；T4波动范围由1.60%增大到2.44%，但仍在允许的5%范围内且没有达到温度边界约束。改进后的单-双外涵模式切换过程在保持Wa2不变的同时，模式切换时间缩短30%，F、nl等性能参数波动得到有效改善，虽然T4波动范围略有增加，但在安全工作范围内，满足发动机在该模式切换过程中平稳安全、快速过渡的要求。

图4 双外涵切换至单外涵模式改进前后仿真结果对比Fig.4 Simulation results comparison of double-single bypass mode transition before and after improvement

4.2.2 双-三外涵模式切换过程对比分析

将改进后的控制计划带入发动机模型中进行仿真验证，结果如图5所示。由图中可知，改进后各性能参数变化如下：模式切换时间由4.0 s变为2.4 s，时间缩短40%；改进后的F基本保持不变，Wa2、nl单调变化，工作状态更加稳定。改进后的双-三外涵模式切换过程在保持F不变的同时，模式切换时间缩短40%，Wa2、nl等性能参数波动得到有效改善，满足发动机在该模式切换过程平稳安全、快速过渡的要求。

图5 双外涵切换至三外涵模式改进前后仿真结果对比Fig.5 Simulation results comparison of double-triple bypass mode transition before and after improvement

5 结论

针对三外涵变循环发动机模式切换过程，提出性能系数矩阵概念，设计其控制计划，并根据不同性能需求对控制计划进行改进，得出以下结论：

(1)三外涵变循环发动机模式切换过程是多个可调参数组合调节的结果。不同的模式切换过程因性能需求不同，参与调节的可调机构也不相同。

(2)单-双外涵模式切换过程中，发动机在αMSV、A6、A8、αFan和Wfb组合调节下，可实现模式切换过程的安全过渡，但F存在4.10%的波动，Wa2存在4.30%的波动，nl存在3.43%的波动，影响模式切换过程的稳定性。改进后的控制计划可在Wa2不变的条件下缩短30%模式切换时间，F波动范围由4.10%减小到0.61%、nl波动范围由3.43%减小到0.97%，改善模式切换过程的稳定性。

(3)双-三外涵模式切换过程中，发动机在αTSV、αFLADE、αFan、Wfb组合调节下，可实现模式切换过程的安全过渡。改进后的控制计划可在F不变的条件下缩短40%模式切换时间，实现Wa2、nl的单调变化。