一种航空发动机寿命延长控制器设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及航空宇航推进系统控制与仿真领域，具体地说，设及一种航空发动机 寿命延长控制器设计方法。
【背景技术】
[0002] 传统的航空发动机延长寿命所使用的方法是更换部件或者重新设计长寿命的 部件，如专利CN103982242A中通过重新设计用于燃气祸轮发动机的轮盘圆弧端齿，W解 决现有圆弧端齿的过渡区无法承受高速运转产生的应力，导致寿命过短的问题，但该种 方式需要重新设计和制造轮盘。1988年，Carl F. Lorenzo首次提出寿命延长控制（Life Extending Control，LEC)的概念（A Reusable Rocket Engine Intelligent Control [R]. NASA Technical Memorandum 100963, Washington:NASA, 1988)，是在允许的范围内不影响 系统完成任务的前提下，通过适当降低系统动态性能来减少或阻止损伤的发展，从而较大 地延长系统工作寿命的控制策略，其关键在于系统动态性能和关键零部件的耐用性之间进 行恰当折中，达到既完成任务又延长系统的工作寿命的目的，来体现增强系统的可靠性、可 用性、可维护性和部件耐用性的要求。尽管近年来，国内外寿命延长控制方面进行了一些探 索性研究，但该些研究基本停留在理论阶段，难W用于实际航空发动机中。而寿命延长控制 不管是对军机发动机、民机发动机还是其它用途的燃气祸轮发动机来说，都有重要而普遍 的意义，同时也彻底改变昂贵装置控制系统设计理念。
【发明内容】
[0003] 为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种航空发动机寿命延长控制器设计 方法；目的是在航空发动机控制系统中增加高压转子加速度限制，将代表航空发动机寿命 的指标和代表性能的指标同时纳入到优化目标函数中，利用遗传算法对加速度限制进行优 化，W使该控制器延长航空发动机寿命的同时，保证发动机加速性能不变或仅有少量下降， 有效地延长航空发动机寿命，降低使用和维护成本。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0005] 一种航空发动机寿命延长控制器设计方法，其特征在于包括W下步骤：
[0006] 步骤1.选择确定航空发动机寿命的寿命限制部件，建立航空发动机的寿命模型； 选取高压祸轮导向叶片作为代表航空发动机寿命的寿命限制部件，航空发动机的寿命模型 表不为：
[0007] Ws = /(T紐化，7；伽1( 了細））
[000引式中：N,为航空发动机寿命，T Amay为叶片前后缘最大温度差，
[0009] 了metalt&m。、;为最大温差下叶片金属温度；
[0010] 步骤2.修改加速控制规律；从寿命模型可知航空发动机的寿命长短与叶片前后 缘最大温度差Taiii。；；、最大温度差下叶片金属温度了有关，而Taiii。；；、出现在发 动机由慢车加速到最大推力的过程中，通过在原有控制系统中增加高压转子加速度限制， 修改加速控制规律，调整发动机加速过程，改变航空发动机的寿命；
[0011] 步骤3.构造合适的高压转子加速度限制曲线；通过对原有控制系统的仿真结果 分析，确定加速度限制曲线，不对加速前期进行限制，保证发动机一定加速性能；对加速后 期限制，通过牺牲加速后期少量加速性能，W降低加速过程中叶片前后缘最大温度差和叶 片金属温度，延长发动机寿命；
[0012] 步骤4.利用遗传算法优化限制曲线；遗传算法设置如下：染色体设置为限制曲线 的控制点；目标函数则同时包括代表航空发动机寿命的指标，加速过程中叶片总应变差和 代表发动机加速性能的指标，加速上升时间；同时对控制点坐标进行约束，避免曲线出现不 可预知的形状；利用遗传算法对加速度限制曲线进行优化；
[0013] 步骤5.将优化后得到的控制点坐标扩展成高压转子加速度限制曲线，并写入到 发动机控制程序中，形成修改加速控制规律的寿命延长控制器。
[0014] 有益效果
[0015] 本发明提出的航空发动机寿命延长控制器设计方法，通过在现有航空发动机控制 系统中增加高压转子加速度限制，将代表航空发动机寿命的指标和代表性能的指标同时纳 入到优化目标函数中，利用遗传算法对加速度限制进行优化，W使该控制器延长航空发动 机寿命的同时，保证航空发动机加速性能不变或仅有少量下降，有效地延长航空发动机寿 命，同时仅通过修改数字电子控制器软件控制程序即可实现。航空发动机寿命延长控制器 设计方法，不仅可用于新型航空发动机寿命延长控制中，也避免在对现有控制系统进行升 级时大幅度修改控制硬件；既延长了航空发动机寿命，又降低了使用和维护成本。
【附图说明】
[0016] 下面结合附图和实施方式对本发明一种航空发动机寿命延长控制器设计方法作 进一步详细说明。
[0017] 图1为本发明航空发动机寿命模型计算流程示意图。
[0018] 图2为加速过程中低压转子转速、祸轮前温度、叶片前后缘温度差曲线图。
[0019] 图3为转子加速度组合限制曲线示意图。
[0020] 图4为S阶Bezier曲线。
[0021] 图5为加速控制规律优化流程图。
[0022] 图6为LEC控制系统结构图。
[0023] 图7为原转子加速度及LEC限制曲线。
[0024] 图8为低压转子转速曲线。
[0025] 图9为祸轮前温度曲线。
[0026] 图10为叶片前后温度差曲线。
【具体实施方式】
[0027] 本实施例是一种航空发动机寿命延长控制器设计方法。
[002引参阅图1?图6, W某型小涵道比双转子祸扇发动机为例，寿命延长控制器设计方 法的具体步骤如下：
[0029] 步骤一，选择确定航空发动机寿命的寿命限制部件，建立代表航空发动机寿命的 寿命模型；
[0030] 航空发动机寿命主要取决于盘、轴、机厘、叶片的寿命限制部件的寿命，其中叶片 更加靠近燃烧室、热机械损伤更为明显；本实施例选取导向叶片作为代表发动机寿命的寿 命限制部件，建立航空发动机的寿命模型，根据流程建立航空发动机的寿命模型，所得模型 表示为：
[003*1] Wg - ，写聖）' U
[003引式中：N,为航空发动机寿命，T Am。,为叶片前后缘最大温度差，枯etal也m&)为最大温 差下叶片金属温度，高压压气机后、高压祸轮前、高压祸轮后压力峰值。
[0033] 步骤二，从步骤一中可知，航空发动机寿命的长短与叶片前后缘最大温度差Ta。。,、 最大温度差下叶片金属温度T'mdahrAm。、;有关，而通常出现在发动机由慢车加 速到最大推力的过程中；仿真得到的加速过程中低压转子转速、祸轮前温度、叶片前后温度 差曲线，可W看出，心"、>均出现在加速后期；本实施例中通过在原有控制系统中 增加高压转子加速度限制模块，来修改加速控制规律，W调整发动机加速后期的加速过程， 改变、了，从而改变航空发动机的寿命。
[0034] 步骤S，构造合适的高压转子加速度限制曲线；
[0035] 本实施例为简化加速度限制曲线优化过程，设计高压转子加速度限制曲线随着转 速增加、加速度限制减小，由可控Bezier曲线和直线构成；其中Bezier曲线为S阶Bezier 曲线，由平面上四个点PiOq, yi), 口2咕，72)，？3咕，73)，？4相，y4)组成控制多边形决定的，其 数学表达式（2)为：
[0036]
【主权项】
1. 一种航空发动机寿命延长控制器设计方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤1.选择确定航空发动机寿命的寿命限制部件，建立航空发动机的寿命模型；选取 高压涡轮导向叶片作为代表航空发动机寿命的寿命限制部件，航空发动机的寿命模型表示 为：
式中：Ns为航空发动机寿命，TAmax为叶片前后缘最大温度差， 匕^^^为最大温差下叶片金属温度； 步骤2.修改加速控制规律；从寿命模型可知航空发动机的寿命长短与叶片前后缘最 大温度差TAmax、取大温度差下叶片金属温度有关，而TAmax、出现在发动机 由慢车加速到最大推力的过程中，通过在原有控制系统中增加高压转子加速度限制，修改 加速控制规律，调整发动机加速过程，改变航空发动机的寿命； 步骤3.构造合适的高压转子加速度限制曲线；通过对原有控制系统的仿真结果分析， 确定加速度限制曲线，不对加速前期进行限制，保证发动机一定加速性能；对加速后期限 制，通过牺牲加速后期少量加速性能，以降低加速过程中叶片前后缘最大温度差和叶片金 属温度，延长发动机寿命； 步骤4.利用遗传算法优化限制曲线；遗传算法设置如下：染色体设置为限制曲线的控 制点；目标函数则同时包括代表航空发动机寿命的指标，加速过程中叶片总应变差和代表 发动机加速性能的指标，加速上升时间；同时对控制点坐标进行约束，避免曲线出现不可预 知的形状；利用遗传算法对加速度限制曲线进行优化； 步骤5.将优化后得到的控制点坐标扩展成高压转子加速度限制曲线，并写入到发动 机控制程序中，形成修改加速控制规律的寿命延长控制器。
【专利摘要】本发明公开了一种航空发动机寿命延长控制器设计方法，通过在航空发动机控制系统中增加高压转子加速度限制，将代表航空发动机寿命的指标和代表性能的指标同时纳入到优化目标函数中，利用遗传算法对加速度限制进行优化，使该控制器延长航空发动机寿命的同时，保证航空发动机加速性能不变或仅有少量下降，有效地延长航空发动机寿命，同时仅通过修改数字电子控制器软件控制程序即可实现。航空发动机寿命延长控制器设计方法，不仅可用于新型航空发动机寿命延长控制中，也避免在对现有控制系统进行升级时大幅度修改控制硬件；既延长了航空发动机寿命，又降低了使用和维护成本。
【IPC分类】F02C9-00
【公开号】CN104564354
【申请号】CN201410682577
【发明人】郭迎清, 陈小磊, 闫星辉
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年11月24日