[转帖]航空发动机的主动控制技术

航空发动机的主动控制技术可以减小在发动机零部件设计时留有的安全裕度，从而减轻发动机重量、降低成本和提高发动机性能。目前，美国空军正与工业界联手研究并确定主动稳定性控制用于大型发动机的可行性，NASA正在研究热声学不稳定性的主动抑制技术和快速响应的主动间隙控制技术。成功研究出主动控制技术还需要解决一些关键技术问题
　　按照以住的传统，由于考 虑到加工公差、使用中的恶化和传感误差等因素造成的影响，在航空发动机的零部件设计时都留有较大的安全裕度，这些裕度增加了零件的重量和成本，降低了气动性能。为进一步改善航空发动机的性能，人们正在研究减少这些裕度的方法。但是，简单地减小零部件的安全裕度将增大机械和流动的不稳定性，加大发动机的振动或气流速度、温度和压力的不稳定脉动。安全地减小这些裕度的最有效的方法就是采用主动控制技术。
　　主动控制是指围绕单个涡轮发动机单元体（部件）的专用反馈控制环，它能使一个部件在给定的工作条件下具有最佳的性能，因此减少了远离设计点的损失。
　　与发动机主动控制发展有关的问题包括控制理论、微处理器技术、部件动态响应特性、系统相互作用、传感器和作动器。目前，控制理论和微处理器技术已经得到了相当大的发展，因此，主动控制技术面临的重大挑战主要是高温传感器和高响应作动器技术。同时，还需要进一步研究部件的动态物理现象及它们如何与其他部件相互作用。这里将介绍国外正在发展的几种典型的航空发动机主动控制技术。
　　主动稳定性控制
　　压气机的性能受到喘振和旋转失速等气动不稳定参数的限制。目前，为防止压气机失速，在压气机设计中都留有一定的裕度，即压气机的失速压比能力应超过稳态和瞬态要求的10%～30%。为达到这个能力，压气机必须增加额外的压缩级，因此增加了重量和成本，同时它给气动性能带来不利影响。主动稳定性控制可以减少或消除这个预留的裕度，具有减少压气机压缩级数的潜力，因此可减轻重量和降低成本。
　　主动稳定性控制通过预先探测即将发生的喘振与失速和反馈控制系统，用放气、改变静叶角度、调整燃油流量和在靠近叶尖处喷射空气等办法，以避免喘振和失速的发生，使压气机始终在最佳的状态下工作，从而提高级压比和发动机的性能。表1是采用主动稳定性控制后为发动机性能带来的好处。
　　目前，在美国综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划下，美国空军正与工业界联手研究并确定主动稳定性控制（ASC）用于大型发动机的可行性。IHPTET计划控制系统的发展目标之一是减少50%的裕度。这个裕度是指在每种普通压气机设计中采用的过剩的失速压比。
　　实现航空发动机的主动稳定性控制需要解决一些关键技术。首先，需要发展一种具有飞行重量、耐久性好、具有足够带宽、能提供鲁棒控制的作动系统。目前发动机作动器的工作频率低于10赫兹，压气机主动稳定控制需要响应速率约100赫兹（也许达1000赫兹），比目前应用的高1到2个数量级。其次，需要发展和验证一种合适的传感系统。第三，需要发展和验证容易集成并适应变化的工作条件的控制算法。第四，需要多重处理的能力。
　　主动燃烧控制
　　主动燃烧控制（ACC）通过快速改变燃烧的参数实现对燃烧过程的调节。例如，它可以定时地喷入燃油，而不是根据需要被动地对流场进行空间结构的改变。由于定时调节比被动控制的几何改变更简单，因此ACC有更好的灵活性。ACC可改善发动机的性能，提高燃烧的效率、降低耗油率和减少形状因子（出口平面温度剖面），同时可降低污染排放、扩大工作包线并减少燃烧室的体积。左图给出了突扩燃烧室主动燃烧控制的典型结构。这种结构的ACC系统通过一个喷射器调节燃油流量。
　　目前，ACC主要用于解决推进系统中的燃烧稳定性问题。燃烧的不稳定性通常是由于燃烧过程中波动的放热和自然存在的声共振之间的干扰造成。这些干扰可造成燃烧室中巨大的压力波动并可减少部件的寿命，而且还可能导致过早发生机械故障。
　　最近几年，国外对ACC进行了大量研究。NASA与普惠公司和联合技术研究中心正在合作发展和验证热声学不稳定性的主动抑制技术，已研究出一种最高频率1000赫兹的高频燃油阀，并首次在一个真实的航空发动机燃烧室试验台上验证了高频（大于500赫兹）燃烧不稳定性的主动控制技术。
　　试验表明，所发展的两种控制方法在不稳定频率下可使燃烧室的压力减少30%。另外，佐治亚技术学院也研究了一种高频燃油阀(左上图)。
　　 NASA的ACC研究包括三个方面：燃烧不稳定性科学、火焰筒形状因子控制和污染最小控制。今后，NASA将在一个先进的极低污染燃烧室概念上研究燃烧不稳定性的控制方法、形状因子控制及燃油喷射区控制方法。目标是验证在航空发动机飞行包线范围内污染排放都达到超低水平的智能化主动燃烧控制燃烧室。
　　从长远看，ACC将在"灵巧"燃烧室的发展中发挥重要作用，ACC除控制燃烧室的动态特性外，还可提供实时的状态监控能力，并能控制损耗和使用中的恶化及具有自修复能力。
　　实现航空发动机的主动燃烧控制需要发展下列关键技术。首先，需要发展飞行重量的、耐久性好、有足够带宽、高响应、可提供鲁棒控制的作动系统。第二，需要定义、发展并验证一个合适的传感系统。第三，需要发展和验证容易集成和适应改变工作条件的控制算法。第四，需要发展有利于控制系统设计的深入的动态燃烧模型。第五，必须发展多重的处理能力。
　　主动间隙控制
　　主动间隙控制（ACC）是一项利用发动机瞬态和稳态叶尖间隙的变化来提高效率，改善发动机性能和耐久性的技术。近来，ACC被认为是最有可能增加民用飞机发动机寿命的技术之一。减少叶尖间隙的另一个好处是可减少污染物的排放和降低耗油率（SFC）。
　　表2是轴流压气机叶尖间隙减少0.25毫米能带来的好处。
　　对于涡轮来说，一个来自工业燃机的经验换算公式是：涡轮叶尖间隙减少0.25毫米，涡轮排气温度最多可降低10℃，并且涡轮效率可提高1%。最终，可使发动机的耗油率减少1%，污染排放也相应减少。
　　尽管这些好处看起来不大，但减少耗油率1%，可使美国现有民用运输机机队的燃油成本每年节省1.6亿美元以上。同时，还将使飞机产生的污染排放大大减少，带来经济和环境方面的巨大好处。
　　相比之下，涡轮的主动间隙控制更加困难，因为控制系统必须适应那里恶劣的高温和高压工作条件。目前，美国NASA正在革新航空推进部件（RAC）计划下研究快速响应的主动间隙控制技术。研究人员正在发展样机型的作动系统、预测间隙的动态模型和快速实现涡轮间隙控制的控制率。同时，在智能控制与诊断（ICD）计划下，NASA正与GE公司合作，发展可改进目前基于热量控制的ACC系统所需的控制率。
　　另外，在智能推进控制（IPC）计划下，NASA正在发展和验证一种用于高压涡轮的可变间隙传感器。
　　实现航空发动机的主动间隙控制需解决下列关键技术。
　　首先，需发展先进的控制设计和动态模拟技术。第二，需研究一种在严峻的高压涡轮环境下在整个飞行包线范围都能可靠工作的一种间隙控制系统。目前，大型发动机的涡轮间隙控制都采用主动的热量控制方法，即利用从压气机或风扇中抽取的冷气对涡轮机匣进行冷却。但这种基于热量的控制方法反应很慢，有时在巡航状态还缺乏对最小间隙的控制能力。
　　未来实用的新作动系统必须在克服目前系统不足的同时，在成本、重量和复杂性方面不应有太大变化。第三，需研究一种高可靠并具有飞行品质的涡轮叶尖间隙传感器。传感器必须有足够高的精度（0.001英寸的量级），其响应在50千赫兹的量级。传感器和通信硬件应有长的使用寿命（超过2万飞行小时）。这将要求传感器具有高温能力（或完善的冷却方法）、耐振动和抗干扰特性。同时，还应抗潮湿、抗污染。此外，传感器还必须易于维护和更换。航空发动机的主动控制技术可以减小在发动机零部件设计时留有的安全裕度，从而减轻发动机重量、降低成本和提高发动机性能。目前，美国空军正与工业界联手研究并确定主动稳定性控制用于大型发动机的可行性，NASA正在研究热声学不稳定性的主动抑制技术和快速响应的主动间隙控制技术。成功研究出主动控制技术还需要解决一些关键技术问题
　　按照以住的传统，由于考 虑到加工公差、使用中的恶化和传感误差等因素造成的影响，在航空发动机的零部件设计时都留有较大的安全裕度，这些裕度增加了零件的重量和成本，降低了气动性能。为进一步改善航空发动机的性能，人们正在研究减少这些裕度的方法。但是，简单地减小零部件的安全裕度将增大机械和流动的不稳定性，加大发动机的振动或气流速度、温度和压力的不稳定脉动。安全地减小这些裕度的最有效的方法就是采用主动控制技术。
　　主动控制是指围绕单个涡轮发动机单元体（部件）的专用反馈控制环，它能使一个部件在给定的工作条件下具有最佳的性能，因此减少了远离设计点的损失。
　　与发动机主动控制发展有关的问题包括控制理论、微处理器技术、部件动态响应特性、系统相互作用、传感器和作动器。目前，控制理论和微处理器技术已经得到了相当大的发展，因此，主动控制技术面临的重大挑战主要是高温传感器和高响应作动器技术。同时，还需要进一步研究部件的动态物理现象及它们如何与其他部件相互作用。这里将介绍国外正在发展的几种典型的航空发动机主动控制技术。
　　主动稳定性控制
　　压气机的性能受到喘振和旋转失速等气动不稳定参数的限制。目前，为防止压气机失速，在压气机设计中都留有一定的裕度，即压气机的失速压比能力应超过稳态和瞬态要求的10%～30%。为达到这个能力，压气机必须增加额外的压缩级，因此增加了重量和成本，同时它给气动性能带来不利影响。主动稳定性控制可以减少或消除这个预留的裕度，具有减少压气机压缩级数的潜力，因此可减轻重量和降低成本。
　　主动稳定性控制通过预先探测即将发生的喘振与失速和反馈控制系统，用放气、改变静叶角度、调整燃油流量和在靠近叶尖处喷射空气等办法，以避免喘振和失速的发生，使压气机始终在最佳的状态下工作，从而提高级压比和发动机的性能。表1是采用主动稳定性控制后为发动机性能带来的好处。
　　目前，在美国综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划下，美国空军正与工业界联手研究并确定主动稳定性控制（ASC）用于大型发动机的可行性。IHPTET计划控制系统的发展目标之一是减少50%的裕度。这个裕度是指在每种普通压气机设计中采用的过剩的失速压比。
　　实现航空发动机的主动稳定性控制需要解决一些关键技术。首先，需要发展一种具有飞行重量、耐久性好、具有足够带宽、能提供鲁棒控制的作动系统。目前发动机作动器的工作频率低于10赫兹，压气机主动稳定控制需要响应速率约100赫兹（也许达1000赫兹），比目前应用的高1到2个数量级。其次，需要发展和验证一种合适的传感系统。第三，需要发展和验证容易集成并适应变化的工作条件的控制算法。第四，需要多重处理的能力。
　　主动燃烧控制
　　主动燃烧控制（ACC）通过快速改变燃烧的参数实现对燃烧过程的调节。例如，它可以定时地喷入燃油，而不是根据需要被动地对流场进行空间结构的改变。由于定时调节比被动控制的几何改变更简单，因此ACC有更好的灵活性。ACC可改善发动机的性能，提高燃烧的效率、降低耗油率和减少形状因子（出口平面温度剖面），同时可降低污染排放、扩大工作包线并减少燃烧室的体积。左图给出了突扩燃烧室主动燃烧控制的典型结构。这种结构的ACC系统通过一个喷射器调节燃油流量。
　　目前，ACC主要用于解决推进系统中的燃烧稳定性问题。燃烧的不稳定性通常是由于燃烧过程中波动的放热和自然存在的声共振之间的干扰造成。这些干扰可造成燃烧室中巨大的压力波动并可减少部件的寿命，而且还可能导致过早发生机械故障。
　　最近几年，国外对ACC进行了大量研究。NASA与普惠公司和联合技术研究中心正在合作发展和验证热声学不稳定性的主动抑制技术，已研究出一种最高频率1000赫兹的高频燃油阀，并首次在一个真实的航空发动机燃烧室试验台上验证了高频（大于500赫兹）燃烧不稳定性的主动控制技术。
　　试验表明，所发展的两种控制方法在不稳定频率下可使燃烧室的压力减少30%。另外，佐治亚技术学院也研究了一种高频燃油阀(左上图)。
　　 NASA的ACC研究包括三个方面：燃烧不稳定性科学、火焰筒形状因子控制和污染最小控制。今后，NASA将在一个先进的极低污染燃烧室概念上研究燃烧不稳定性的控制方法、形状因子控制及燃油喷射区控制方法。目标是验证在航空发动机飞行包线范围内污染排放都达到超低水平的智能化主动燃烧控制燃烧室。
　　从长远看，ACC将在"灵巧"燃烧室的发展中发挥重要作用，ACC除控制燃烧室的动态特性外，还可提供实时的状态监控能力，并能控制损耗和使用中的恶化及具有自修复能力。
　　实现航空发动机的主动燃烧控制需要发展下列关键技术。首先，需要发展飞行重量的、耐久性好、有足够带宽、高响应、可提供鲁棒控制的作动系统。第二，需要定义、发展并验证一个合适的传感系统。第三，需要发展和验证容易集成和适应改变工作条件的控制算法。第四，需要发展有利于控制系统设计的深入的动态燃烧模型。第五，必须发展多重的处理能力。
　　主动间隙控制
　　主动间隙控制（ACC）是一项利用发动机瞬态和稳态叶尖间隙的变化来提高效率，改善发动机性能和耐久性的技术。近来，ACC被认为是最有可能增加民用飞机发动机寿命的技术之一。减少叶尖间隙的另一个好处是可减少污染物的排放和降低耗油率（SFC）。
　　表2是轴流压气机叶尖间隙减少0.25毫米能带来的好处。
　　对于涡轮来说，一个来自工业燃机的经验换算公式是：涡轮叶尖间隙减少0.25毫米，涡轮排气温度最多可降低10℃，并且涡轮效率可提高1%。最终，可使发动机的耗油率减少1%，污染排放也相应减少。
　　尽管这些好处看起来不大，但减少耗油率1%，可使美国现有民用运输机机队的燃油成本每年节省1.6亿美元以上。同时，还将使飞机产生的污染排放大大减少，带来经济和环境方面的巨大好处。
　　相比之下，涡轮的主动间隙控制更加困难，因为控制系统必须适应那里恶劣的高温和高压工作条件。目前，美国NASA正在革新航空推进部件（RAC）计划下研究快速响应的主动间隙控制技术。研究人员正在发展样机型的作动系统、预测间隙的动态模型和快速实现涡轮间隙控制的控制率。同时，在智能控制与诊断（ICD）计划下，NASA正与GE公司合作，发展可改进目前基于热量控制的ACC系统所需的控制率。
　　另外，在智能推进控制（IPC）计划下，NASA正在发展和验证一种用于高压涡轮的可变间隙传感器。
　　实现航空发动机的主动间隙控制需解决下列关键技术。
　　首先，需发展先进的控制设计和动态模拟技术。第二，需研究一种在严峻的高压涡轮环境下在整个飞行包线范围都能可靠工作的一种间隙控制系统。目前，大型发动机的涡轮间隙控制都采用主动的热量控制方法，即利用从压气机或风扇中抽取的冷气对涡轮机匣进行冷却。但这种基于热量的控制方法反应很慢，有时在巡航状态还缺乏对最小间隙的控制能力。
　　未来实用的新作动系统必须在克服目前系统不足的同时，在成本、重量和复杂性方面不应有太大变化。第三，需研究一种高可靠并具有飞行品质的涡轮叶尖间隙传感器。传感器必须有足够高的精度（0.001英寸的量级），其响应在50千赫兹的量级。传感器和通信硬件应有长的使用寿命（超过2万飞行小时）。这将要求传感器具有高温能力（或完善的冷却方法）、耐振动和抗干扰特性。同时，还应抗潮湿、抗污染。此外，传感器还必须易于维护和更换。