渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機控制問題概述

肖玲斐，申 濤，黃向華，段紹棟

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京210016)

1 引言

2 TBCC布局形式

渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機(TBCC)是以燃氣渦輪發(fā)動機為基礎，通過并聯或串聯沖壓發(fā)動機(包括亞燃沖壓發(fā)動機和超燃沖壓發(fā)動機)而構成的組合循環(huán)推進系統(tǒng)。采用TBCC的高速飛行器，在起飛階段使用渦輪發(fā)動機，爬升到一定高度后加速到沖壓發(fā)動機開始工作狀態(tài)，沖壓發(fā)動機投入工作后逐漸關掉渦輪發(fā)動機，利用沖壓發(fā)動機爬升、加速至高馬赫數；返回時關掉沖壓發(fā)動機，重新啟動渦輪發(fā)動機，使飛行器安全返航。

根據TBCC中渦輪和沖壓兩類發(fā)動機之間的組合形式，可以分為并聯布局和串聯布局。當渦輪發(fā)動機的加力燃燒室和沖壓燃燒室共用時，稱為串聯布局(如圖1)。而渦輪發(fā)動機的加力燃燒室與沖壓燃燒室相互獨立，兩類發(fā)動機組成上下重疊形式時，稱為并聯布局(如圖2)。

串聯布局的明顯特點是沒有單獨的沖壓發(fā)動機通道，不僅發(fā)動機高度下降，而且由于發(fā)動機軸線與進氣道進口軸線間的距離縮短，使進氣道后擴壓段長度減短，進氣道斜板前段的總尺寸也相應減小。尺寸減小不僅可使結構重量減輕，而且還使阻力減小。

圖1 串聯布局TBCC(如J58發(fā)動機)Fig.1 Co-axial type combination engine

圖2 并聯布局TBCC(如X-43B發(fā)動機)Fig.2 Over-under type combination engine

另外，串聯布局比并聯布局構造簡單，調節(jié)便利，省卻了龐大的進氣分流活門及其驅動機構。并聯布局的兩個并列尾噴管作為高溫受力部件，增加了性能和結構設計的復雜性。相對而言，串聯方案渦扇發(fā)動機的關閉機構和調節(jié)活門尺寸小、動作簡單、結構輕便。

雖然串聯布局比并聯布局一體化程度更高，但存在嚴重的渦輪工況流量匹配問題。

3 過渡馬赫數選取

在TBCC運行過程中存在很多過渡段，對這些過渡段的研究非常富有挑戰(zhàn)性。過渡馬赫數(Ma)的定義為：當TBCC主要由沖壓發(fā)動機而不是渦輪發(fā)動機來提供推力時的馬赫數。過渡馬赫數的選擇對低速和高速系統(tǒng)的設計具有重要作用，是渦輪發(fā)動機和沖壓發(fā)動機對TBCC影響的平衡。過渡馬赫數越大，沖壓發(fā)動機設計越容易，而渦輪發(fā)動機設計則越困難。通過對各個部件的綜合考慮，選擇出合適的過渡馬赫數，可使TBCC具有最好的整體性能。兩類發(fā)動機應在過渡馬赫數前后0.5馬赫開始或結束運行(如圖3)，即存在渦輪和沖壓發(fā)動機同時工作的模態(tài)過渡段，保證渦輪發(fā)動機進入或退出工作都比較平穩(wěn)，以及減少對沖壓發(fā)動機的影響[1]。

圖3 過渡馬赫數(如文獻[1]選擇Ma=4.0)Fig.3 Transition Mach number

4 TBCC控制問題分析

目前，人們對于渦輪發(fā)動機和沖壓發(fā)動機的控制研究已取得了較多成果，但TBCC在過渡過程段的性能不僅與組成它的渦輪和沖壓發(fā)動機本身型式及特征有關，而且還受到兩類發(fā)動機之間相互關系以及調節(jié)機構的影響。所以，TBCC控制問題的關鍵在于保證過渡階段穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的性能品質，具體涉及過渡段的燃料、溫度控制，進氣道和尾噴管喉部調節(jié)及閥門開度控制，以及飛行/推進綜合問題等[2～7]。

4.1 TBCC燃料控制問題

(1)串聯布局

在渦輪模態(tài)工作時，隨著飛行馬赫數的逐漸提高，逐漸減少發(fā)動機主燃燒室的供油，于是渦輪發(fā)動機轉速逐漸下降。當渦輪發(fā)動機轉速降至慢車時，大部分空氣將通過沖壓環(huán)形通道進入加力燃燒室。這時切斷渦輪發(fā)動機主燃燒室供油，在確認主燃燒室熄火后，關閉渦輪通道閥門，渦輪發(fā)動機退出工作；但此時保持對加力燃燒室的供油，加力燃燒室變成沖壓燃燒室，TBCC進入沖壓模態(tài)運行。

(2)并聯布局

若選擇過渡馬赫數為Ma=3.0，則渦輪發(fā)動機在0＜Ma＜3.0時全負荷工作，在Ma＞3.0時逐步降低轉速并進入慢車狀態(tài)。隨著馬赫數繼續(xù)提高，渦輪發(fā)動機減少供油，到Ma=3.5時停止供油。在確認渦輪發(fā)動機熄火后，渦輪發(fā)動機退出工作。當Ma＜2.5時沖壓發(fā)動機不點火，沖壓通道作為放氣通道使用。Ma=2.5時沖壓發(fā)動機點火，在2.5＜Ma＜3.5時沖壓發(fā)動機與渦輪發(fā)動機同時工作，即模態(tài)過渡段。

(3)控制關鍵問題

①在同進氣道流量匹配的條件下，通過控制過渡段的燃料流量，實現在較大范圍內調整推力隨馬赫數變化的狀況，為飛行器的設計提供方便；

②按照燃料調節(jié)規(guī)律和流量匹配要求進行穩(wěn)態(tài)非設計點性能計算，得到TBCC在過渡段的穩(wěn)態(tài)性能；

③在發(fā)動機安全工作的前提下，為增加經濟性和擴大航程，設計優(yōu)化燃料控制規(guī)律，實現發(fā)動機燃料消耗率最小。

4.2 TBCC溫度控制問題

由于在超聲速、高超聲速飛行時，TBCC進口空氣溫度急劇升高，為了擴大發(fā)動機工作范圍，增大單位推力，提高熱效率，可通過預冷卻技術冷卻進口空氣，保證TBCC在高速飛行條件下的使用和部件壽命。但安裝了預冷卻器的發(fā)動機會遇到換熱片表面結冰的問題，而結冰會引起總壓損失，換熱效率下降，嚴重時導致氣流堵塞。

控制關鍵問題為：①避免由于氣流滯止導致的氣體溫度過高和超過燃燒室極限載荷的現象出現；②控制燃料供給回路，實現燃料預熱以及相關空氣、飛行器和發(fā)動機部件、其它附件的冷卻；③控制氣流通道，合理引氣，在冷卻進口溫度的同時防止或消除結冰影響；④由于在過渡階段閥門的開度有變化，當空氣經過閥門時為一節(jié)流過程，所以必須保證節(jié)流過程前后總溫不變。

4.3 TBCC進氣道和尾噴管喉部調節(jié)及閥門開度控制問題

(1)串聯布局

串聯布局TBCC中，渦輪模態(tài)工作時的加力燃燒室在沖壓模態(tài)工作時就作為沖壓燃燒室。在渦輪模態(tài)工作時，沖壓環(huán)形通道的前后閥門將沖壓通道堵塞，以防止渦輪發(fā)動機的排氣經沖壓通道回流到渦輪發(fā)動機進口。在沖壓模態(tài)工作時，沖壓環(huán)形通道打開，由進氣道來的空氣經環(huán)形通道進入沖壓燃燒室；而渦輪發(fā)動機進出口閥門關閉，以防止高溫滯止空氣進入渦輪發(fā)動機。

(2)并聯布局

并聯布局TBCC中，在渦輪模態(tài)工作時，渦輪通道上的閥門完全打開，由進氣道來的空氣經過風扇和壓氣機增壓，在主燃燒室中與燃料摻混燃燒，高溫燃氣在高壓和低壓渦輪中膨脹做功驅動壓氣機和風扇，由渦輪排出的燃氣和外涵道來的空氣混合，進入加力燃燒室，與補充的燃料燃燒，燃氣進一步升溫，然后進入尾噴管膨脹加速，產生推力。此時沖壓通道也有空氣流過，可作為多余空氣的放氣通道。在沖壓模態(tài)工作時，渦輪發(fā)動機通道上的閥門關閉以防止高溫滯止空氣進入渦輪發(fā)動機。

(3)控制關鍵問題

①實時反饋飛行馬赫數，對閥門進行及時調節(jié)，確保既不產生逆流又不發(fā)生壓力突躍，實現相應馬赫數下渦輪和沖壓發(fā)動機的正常起動及協(xié)調運行；

②通過調整進氣道和尾噴管喉部面積，改變發(fā)動機的空氣流量和有效推力，使得過渡階段兩類發(fā)動機的空氣流量相互匹配，推力滿足要求；

③由于在過渡階段閥門的開度有變化，故需考慮閥門開度與發(fā)動機的相互影響；

④根據兩類發(fā)動機共同工作時的守恒關系和部件特性等，再考慮閥門特性和調節(jié)規(guī)律，求解描述這些關系的非線性方程組，獲得模態(tài)過渡階段的發(fā)動機性能。

4.4 TBCC飛行/推進綜合問題

飛行/推進綜合控制考慮飛機和發(fā)動機之間的性能耦合，對兩者的信息進行綜合，在基本不改變發(fā)動機硬件的情況下，采用綜合控制優(yōu)化算法，最大限度地挖掘飛機和發(fā)動機的性能潛力，使得飛機的整體性能達到最優(yōu)。飛行/推進綜合控制的優(yōu)化控制方案是在發(fā)動機安全運行的前提下對發(fā)動機性能進行優(yōu)化，充分發(fā)掘發(fā)動機的性能潛力，并由此來提高飛機的效能(如圖4)。

控制關鍵問題為：①由于TBCC是渦輪發(fā)動機與沖壓發(fā)動機的組合，過渡段的喘振邊界和渦輪溫度、轉速限定值等不同于單獨的渦輪發(fā)動機或沖壓發(fā)動機，所以必須準確判斷出最優(yōu)工作點和給出可行的最優(yōu)性能描述；②在飛機平飛加速及爬高時，根據飛行馬赫數判斷TBCC中處于工作狀態(tài)的發(fā)動機，并針對相應的渦輪發(fā)動機模態(tài)、沖壓發(fā)動機模態(tài)和過渡段模態(tài)，采用合適的最大推力模式；③在巡航狀態(tài)，針對串聯布局TBCC和并聯布局TBCC的不同，分析加力燃燒室的特點，采用恰當的最小油耗模式。

圖4 飛行/推進綜合控制系統(tǒng)方案Fig.4 Scheme of flight-propulsion inregration control system

5 結束語

渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機中存在很多控制問題，特別是其過渡段的性能必須通過合適的控制策略和方法來保證。渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機在過渡過程段的性能，不僅與組成它的渦輪和沖壓發(fā)動機本身型式和特征有關，還受到兩類發(fā)動機相互關系以及調節(jié)機構的影響。渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機中的控制關鍵問題有燃料控制、溫度控制，進氣道和尾噴管喉部調節(jié)及閥門開度控制，飛行/推進綜合性能，目的在于實現發(fā)動機燃料消耗率最小，提高熱效率，提供最大推力等。

[1]Snyder L E，Escher D W，DeFrancesco R L，et al.Turbine Based Combination Cycle(TBCC)Propulsion Subsystem Integration[R].AIAA 2004-3649，2004.

[2]Clough J A，Lewis M J.Comparison of Turbine-based Combined-cycle Engine Flowpaths[R].AIAA 2003-6932，2003.

[3]Marshall A W，Gupta A K，Lewis M J.Critical Issues in TBCC Modeling[R].AIAA 2004-3827，2004.

[4]劉增文.渦輪沖壓組合發(fā)動機一體化數值模擬[D].陜西西安：西北工業(yè)大學，2007.

[5]李剛團，李繼保，周人治.渦輪-沖壓組合發(fā)動機技術發(fā)展淺析[J].燃氣渦輪試驗與研究，2006，19(2)：57—62.

[6]周 維.飛/推綜合優(yōu)化計算機改進設計及控制參數優(yōu)化[D].江蘇 南京：南京航空航天大學，2005.

[7]孫豐誠.航空發(fā)動機性能尋優(yōu)控制技術研究[D].江蘇南京：南京航空航天大學，2007.