发动机控制┃Aero Engine Control
涡桨发动机控制技术演变及趋势
The Development of Turboprop Control Technology and Trend
■ 时瑞军 周剑波 黄波 皮星 / 中国航发动研所
涡桨发动机因其经济性好而成为世界燃气涡轮发动机领域被长期关注的重点和热点之一。涡桨发动机技术在近些年的快速发展也对其控制系统的结构形式、功能、性能以及控制算法等方面提出了更高的要求。涡
桨发动机在最高可达700km/h的亚声速飞行速度范围内的经济性远远超过相应推力
一般的涡喷、涡扇发动机，其控制系统无论从外观、质量、附件数量，还是具体功能均发生了深刻的变革。AI-20单转子涡桨发动机、普惠加拿大公司50年代研制的PT6A单转子涡桨发动机、美国艾利逊公司（1994年被罗罗公司收购）在20世纪40年代末期研制的T56单转子涡桨发动机等；自20世纪80年代中期以来，涡桨发动机基本采用数字电子控制系统实现对发动机和螺旋桨的控制等级的涡喷和涡扇发动机，因而是亚声速飞机尤其是运输机的主要动力装置。例如，我国的“新舟”60，配装了两台普惠加拿大公司的PW127涡桨发动机，起飞油耗0.28kg/(kW·h)，单发起飞最大起飞质量13.7t；美国中型运输机C-130J配装了4台罗罗公司的AE2100D3涡桨发动机，起飞油耗0.25kg/(kW·h)，单发起飞功率3424kW，最大飞行速度621km/h，最大起飞质量70.3t；欧洲的A400M运输机，装备了4台TP400-D6涡桨发动机，油耗低至0.21kg/(kW·h)，单发最大功率8200kW，最大飞行速度760km/h，最大起飞质量141t。
众所周知，从20世纪80年代中期开始，世界航空发动机控制技术逐渐从机械液压式进入了数字电子控制。涡桨发动机控制系统的被控对象包含了发动机和螺旋桨，因而相对于名称PT6ADARTAI-20T56WJ6D-27PW127PW150AE2100TP400-D6
结构形式演变
如表1所示，许多20世纪80年代以前研制的涡桨发动机的控制系统采用了机械液压式结构，如苏联伊。功率2051kW，巡航飞行速度504km/h，伏琴科设计局40年代末期研制的（详见表1）表1 世界典型涡桨发动机控制系统结构形式
研制时间控制系统结构研制单位普惠加拿大公司英国罗罗公司
20世纪50年代机械液压（发动机和螺旋桨两个控制器）20世纪50年代机械液压（发动机和螺旋桨两个控制器）
20世纪50年代机械液压（发动机和螺旋桨两个控制器）苏联伊伏琴科设计局20世纪50年代机械液压（发动机和螺旋桨两个控制器）20世纪70年代机械液压（发动机和螺旋桨两个控制器）
美国艾利逊公司中国航发南方
20世纪80年代数字电子（发动机和螺旋桨共用一个控制器）乌克兰进步设计局20世纪90年代数字电子（发动机和螺旋桨两个控制器）20世纪90年代数字电子（发动机和螺旋桨两个控制器）20世纪90年代数字电子（发动机和螺旋桨共用一个控制器）21世纪初
数字电子（发动机和螺旋桨共用一个控制器）
普惠加拿大公司普惠加拿大公司英国罗罗公司欧洲螺旋桨国际
发动机公司
图1 “新舟”60、C-130、A400M螺旋桨飞机
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39发动机控制┃Aero Engine Control
最大流量止动调整钉
减速波纹管调节器波纹管
PXPXPY计量油针最小流量止动调整钉
阀门行程活塞
P1P2P2到燃油分配器和喷嘴的计量后燃油
调速弹簧
压差阀
最高转速
最低转速顺桨杆
扭矩管加速波纹管燃油滤（一次性）
限压阀燃油滤旁通阀
双金属片
离心飞重
传动齿轮
温度传感器
调节器阀补偿阀
备份阀（超转）
Pc慢车转速调整钉
旁路燃油
调速阀
阀门行程线圈滑油泵总距锁定线圈单向阀
大阻限压阀总距锁定
发动机
小阻滑油进口顺桨/解除顺桨滑油源
传动轴
燃油滤（可清洗）
燃油进口
燃油泵
高压转子调速器
图2 涡桨发动机机械液压式燃油调节器和螺旋桨调节器
由表1还可以看出，采用机械液压式控制系统的涡桨发动机，一般有的燃油泵调节器控制，由的桨距调节器控制螺旋桨。使用数字电子式控制系统的涡桨发动机有两种控制形式：一种是发动机和螺旋桨分别由各自电子控制系统控制；另一种是近年来的一个发展趋势——发动机和螺旋桨由同一个数字电子控制器控制。实际上，涡桨发动机这种结构形式的变化，还带来了飞行员操纵方式的极大便利。在机械液压时代，一些涡桨发动机需要采用发动机油门杆、螺旋桨选速杆以及功率杆，分别调节发动机燃油流量、螺旋桨转速以及发动机功率。而进入数字电子控制时代后，由于控制逻辑和功能可通过软件轻松实现，因而涡桨发动机的操纵得到了简化。一些涡桨发动机，如PW127和PW150等，去掉了油门杆，仅利用选速杆和功率杆，即可调节发动机和螺旋桨的40全部工作状态；另一些涡桨发动机，强度，更有利于飞机的安全。如D27、AE2100和TP400-D6等，则在此基础上更进一步，仅使用一个操纵杆，实现了对发动机和螺旋桨的完全控制。从3个操纵杆到一个操纵杆的改变，显著减少了需要调整的结构，大大降低了飞行员的工作功能演变
机械液压装置固有的弱点使之无法刻画复杂形式的控制、和保护规律，故机械液压时代的涡桨发动机的控制系统功能较为简单。对于扭矩特性插头
环境压力传感器（PO）
电连接器扭矩调节指令中压放气阀
减振支架
进口总压传感器
故障指示特性插头连接器
接地端扭矩调节
中间压气机放气阀
故障
28V高压转速动力涡轮转速发动机调整顺桨
额定功率选择
上调
电连接器告警灯燃油控制故障指示扭矩指示测试扭矩
功率杆角度进口总压进口总温环境压力
大气数据计算机
28V扭矩
他发自动顺桨
单元自动顺桨激活自动顺桨测试
自动顺桨单元
电连接器
他发电子控制器他发自动顺桨单元当地EEC自动顺桨发动机状态
发动机电子控制器
图3 涡桨发动机数字电子控制器和螺旋桨数字电子控制器
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发动机控制┃Aero Engine Control
油门杆角度
油门杆定义
-
燃油泵调节器
发动机螺旋桨
于该时期的螺旋桨通常只有一个恒定工作转速，因而整个推进系统的桨速传感器
状态变化通常是由发动机主动改变来实现，螺旋桨系统则被动地根据发动机状态调整桨叶角度，使得螺旋桨转速恒定。对于飞机而言，实际上需要包括发动机和螺旋桨在内的整个推进系统更直接地提供所需的功率。机械液压控制系统难以准确地实现对螺旋桨扭矩的测量，更难以实现将螺旋桨转速与扭矩相乘得到当前状传感器
螺旋桨调节器
设计桨速
-
选速杆定义选速杆角度
图4 典型机械液压式涡桨发动机及螺旋桨的转速控制框图
发动机而言，其燃油调节器的功能一般具有基于离心飞重结构的转速恒定控制、基于波纹管的飞行高度修正和机械的止动等功能。对于螺旋桨而言，其控制系统一般具有基于离心飞重结构的桨速超转保护控制、转速恒定控制以及桨距控制功能。数字电子控制天然的优点使之可以非常方便地利用软件编程实现多模态的复杂回路的控制，以及温更重要的是可以实现对控制系统附在有限的机械结构中实现功能的倍增。同时，还可以在几小时内快捷地调整控制规律和参数，以适应发动机的调整，而无须像机械液压时代一样必须改变控制系统机械机构，需要几个月才能实现控制规律的调整。此外，随着数字电子控制的深入应用，涡桨发动机的燃油调节功能和螺旋桨控制功能还朝着综合化的趋势发展，其控制功能更为复杂、更能发挥螺旋桨和发动机的整体性能。同时，使用了数字电子技术的航空涡桨发动机控制系统的性能也越来越好。以发动机转速控制精度为例，机械液压时代的转速稳态控制精度为1%～2%，到了数字电子控制时代的精度提高到0.5%；而现在由于故障诊断健康管理等功能的需求，先进涡桨发动机的稳态转速控制精度已达0.1%，以便能准确识别发动机的故障征兆。态下的功率，因而无法直接供应飞机所需功率，只能间接地以不同的发动机转速表征整个推进系统的功率，即通过如图4所示的发动机转速控制，实现对输出功率的控制。使用了数字电子控制系统后，可以方便地通过扭矩/转速传感器实时得到当前状态下的扭矩和转速，二者乘积即为当前输出功率，因而能够直观地提供飞机所需要的动力。故当前使用数字电子控制的涡桨发动机和螺旋桨通常采用图5所示的直接功率控制算法。 随着数字电子控制技术在航控制算法构型演变
在机械液压时代，由于难以实现复而言，其发动机控制系统和螺旋桨度、扭矩、压力等的和保护功能，杂的控制算法，故对于涡桨发动机件，尤其是传感器的故障诊断功能，控制系统各为一个的系统。由功率
油门杆角度
油门杆定义
-
燃油泵调节器
发动机螺旋桨
桨速传感器
螺旋桨调节器
-
设计桨速选速杆定义选速杆角度
图5 典型双操纵杆数字电子式涡桨发动机及螺旋桨的功率综合控制框图
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41发动机控制┃Aero Engine Control
空发动机中的深入应用，越来越加霜，易发生重大恶性事故。近年多的涡桨发动机，如AE2100和来，多起涡桨飞机重大事故，多与TP400-D6发动机，采用了更为“激复杂的操纵有关。因此，全面实现进”的综合控制方式：将功率杆和单操纵杆控制方式，进一步简化发选速杆合二为一，将发动机数字电动机的操纵，降低飞行员的工作负子控制器和螺旋桨数字电子控制器荷，是今后涡桨发动机控制技术的合为一个综合的数字电子控制器。发展的一个重要方向。图6为一种单操纵杆控制框图，当飞当前，涡桨发动机技术方兴未行员根据飞行条件将操纵杆放置在艾，正朝着更高效、更高速的方向一定位置区间，该综合电子控制器发展，出现了诸如TP400-D6这样采中的操纵杆定义模块将该位置信号用“马刀形”螺旋桨的发动机，以自动解读为需要的螺旋桨控制模式，利于在高速飞行的同时保持较高的即桨速调节模式（α模式）或者桨工作效率。作为涡桨发动机的最新距调节模式（β模式），并产生相形式，能够高速高效工作同时又消应的最佳的螺旋桨转速和桨距角度，除了陀螺力矩效应的桨扇发动机越对整个推进系统进行综合的螺旋桨来越引起飞机设计师的关注。这种转速控制或者桨距控制。这样又进发动机通常使用双排对转螺旋桨，一步降低了飞行员的工作负荷，提在控制系统的作用下，通过行星差高了飞机的安全性。动减速器将发动机提供的功率分配给前后排螺旋桨，实现对转以消除发展趋势
陀螺力矩，并同时降低噪声水平。当前许多运输机通常选用涡桨发动因而，差动双排螺旋桨与发动机的机为动力，相当多的发动机虽然采综合控制技术是未来发展的又一重用了数字电子式控制系统，但仍然要方向。使用双操纵控制方式，飞行员的工其次，随着环保要求的日益严作负荷较重。一旦一台发动机出现格，涡桨飞机的噪声问题成为关注焦故障，飞行员的劳动强度更会雪上点。涡桨飞机工作时，螺旋桨噪声会功率
飞行期望燃油泵条件
功率
调节器
发动机
螺旋桨
-
操纵杆杆定义
-桨速传感器期望螺旋桨桨距（β模式）
螺旋桨-
调节器
操纵杆角度
期望螺旋桨转速（α模式）
图6 典型单操纵杆涡桨发动机及螺旋桨综合控制框图
42航空动力 I Aerospace Power 2019年 第4期
传入飞机座舱，导致舱内噪声增大，影响乘员的身心健康，还有可能诱发飞机结构振动与疲劳，影响飞机安全。此外，螺旋桨噪声传播到周边环境，对人类和动物都会造成伤害。噪声的抑制方法除了在设计中尽量减少螺旋桨噪声生成的强度外，当前涡桨发动机还利用噪声传播的波动原理，主动通过调节多个螺旋桨转速的相位差，使得多桨噪声叠加后的强度最小。为此，基于多螺旋桨相位差控制的噪声抑制技术成为当前航空涡桨发动机，尤其民用涡桨发动机，需要具备的重要特征，这对相位与转速的测量和控制技术提出了更高的要求。 (时瑞军，中国航发动研所，研究员，从事航空发动机控制系统设计技术研究)参考文献[1]樊思齐,徐芸华.航空推进系统控制[M].西安:西北工业大学出版社，1995.[2]
廉小纯,吴虎.航空发动机原理[M].西安:西北工业大学出版社，2005.[3]
姜正行.飞机内流空气动力学[M].北京:航空工业出版社，19.[4]
林左鸣.世界航空发动机手册[M].北京:航空工业出版社，2012.
[5]刘沛清.空气螺旋桨理论及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社，2006.
[6]
赵良省.噪声与振动控制技术[M].北京:化学工业出版社，2004.
[7]
Sutliff D L, Curtis A R D, Heidelberg L J, et al. Performance of an active noise control system for fan tones using vane actuators[J].NASA/TM-2000-210229,2000.
[8]
Thomas R H , Burdisso R A , Fuller C R , et al. Active control of fan noise from a turbofan engine[J]. AIAA Journal, 1994,
32(1):23-30.
