先进齿轮式涡扇发动机的控制设计

随着对下一代高效飞机发动机的准备工作继续进行，概念发动机模型被开发出来，为研究人员提供开发工作的模拟。先进齿轮涡扇AGTF30就是这样一个发动机模型。AGTF30是一个推力30000磅级发动机的非线性模型，它结合了风扇齿轮箱、可变放气阀（VBV）、可变面积风扇喷嘴（VAFN）、相对较小的发动机核心和超高旁路比配置等特点，并有一个完整的控制系统。

本文介绍了在AGTF30中使用的控制系统的创建情况。控制系统的设计方法是为了实现稳定和安全的动态系统运行，并遵循传统的发动机控制方法。本文强调了在这种先进的发动机设计中可能遇到的特点的挑战，并为先进的齿轮传动涡扇的研究提供了一个灵活的发动机试验台的例子。AGTF30是用MATLAB仿真模拟实现的，并利用了MATLAB的工具箱来实现热力学系统的建模和分析（T-MATS）。

MATS是一个开放源码的软件，便于创建需要外部系统求解器的热力学系统。这种建模方法利用能量平衡法和部件性能表来定义非线性涡轮机械系统。AGTF30的发动机结构和性能能力是基于NASA格伦研究中心开发的概念发动机，代表了一种先进的齿轮式涡扇。应该注意的是，尽管AGTF30的开发是基于这些过去研究中的先进齿轮传动涡扇，但它不一定会在任何特定的操作点上直接匹配它们。不匹配的情况可能会发生，因为这些都是工作模型，并随着新数据的出现而更新。

AGTF30只是提供了截至2016年中期先进齿轮传动涡扇概念发展的一个缩影。AGTF30控制系统是传统燃气轮机发动机控制设计的代表。发动机效应器包括燃油流量、VBV和VAFN。VBV和VAFN效应器的位置由根据发动机设计标准制定的时间表决定。燃油流量控制结构由一个比例积分（PI）反馈控制器组成，并包含典型的限制逻辑，以避免发动机的危险，如压缩机失速/浪涌、超温、超速和燃烧器爆裂。发动机工作点与修正的风扇速度（Nfc）请求信号相关联，该信号与从发动机传感信号中得出的Nfc进行比较。风机速度请求是根据功率杠杆角（PLA）设置的，其设计是NASA/TM-2017-2195694将节气门的位置与输出推力线性地联系起来。

发动机系统结构

AGTF30是模拟一个概念性的30000磅推力级别的燃气涡轮发动机，包含高压轴、低压轴和风扇轴。低压轴和风扇轴由一个齿轮比为3.1比1的齿轮箱连接，其作用是提高燃油效率和减少燃气轮机的噪音。低压轴由低压涡轮机（LPT）提供动力，驱动风扇和低压压缩机（LPC）。VBV的作用是减少LPC失速的可能性（即提高失速余量（SM）），它将空气从LPC的出口转向发动机的旁路气流，有效地降低LPC的出口压力。发动机的小核心包括一个高压压缩机（HPC）、一个燃烧室和一个串联的高压涡轮（HPT）。流经核心机的气流通过传统的喷嘴排出，而发动机的旁路空气则通过一个VAFN排出。VAFN的存在有许多优点，包括但不限于提高发动机效率和降低噪音。

AGTF30的性能特点可以在表1中看到，巡航和热天的性能特点(比标准日温度高27度）的起飞设计条件。从表中可以看出，这是一台超高旁通率的发动机，旁通率超过20，并显示出推力比燃料消耗（TSFC）低于0.5磅/小时/磅夫。这些工作条件是通过假设发动机的设计做法来维持的，这些设计做法能够使总压比（OPR）的水平增加到50以上，涡轮进口温度（TIT）延长到3100°R以上。总的来说，这描述了一种高效的发动机，它很可能被安装在商业车辆上，并用于类似于普惠公司PW1000G或CFM国际公司LEAP产品执行的任务。还应注意的是，在本文件中，高压轴转速、低压轴转速和风扇轴转速将分别被称为N2、N1和Nf。

控制系统结构和设计

AGTF30发动机的控制系统是围绕三个主要组件类型创建的：发动机控制器、执行系统和传感器。发动机控制器被建模为控制算法的集合。这些算法确定发动机控制输入的请求值：燃油流量、风扇喷嘴面积和LPC放气阀位置（以全开位置的一部分表示）。传感器监测发动机的物理状态并将数值反馈给控制器。执行系统表示作用于发动机的物理设备：燃油计量阀（FMV）、VAFN和VBV。

整个模型的示意图可以在图中看到。在这里将讨论一个运行包络线，这个包络线包括了发动机预期运行的环境条件。

一个简单而有效的防止积分器卷扬的方法是将最终的系统需求（在这里是Wf）反馈到控制器的输入端，将这个需求与控制器的输出进行比较，然后按比例减少对积分器的输入，如图所示。

VAFN被控制在所有的操作点上产生最佳的风机性能，在一定的修正流量（Wc）和Nfc下，保持特定的压力比（PR）。最佳效率值是由风机性能图确定的，如图所示，并表示为风机运行线。应该注意的是，低于Nfc的0.5（参考风扇速度的50%）的地图值是由地图上的其他值推算出来的。在运行过程中，VAFN的面积被调整以保持理想的风扇工作线。面积的减少会导致风机压力比（PR）的增加，反之亦然。

为了生成一个VAFN所需面积的时间表，AGTF30发动机被运行至在许多不同的操作点上的稳定状态，而VAFN被用来强迫风扇到最有效的操作线。利用这些数据，创建了一个表格，将VAFN位置与MN和Nfc联系起来，如图所示。在该图中可以看到，在低MN时，VAFN随着Nfc的降低而打开，减少风扇的PR以避免风扇失速。相反，在高MN时，VAFN随着Nfc的降低而关闭，增加PR以避免风扇窒息。目前对VAFN驱动的研究估计，喷嘴可实现的最大面积减少率（喷嘴最大预定面积与最小预定面积相比）被认为是40%左右。这个最大面积的设定只考虑到了最关键的操作因素。这些因素是：在MN=0和巡航状态的效率下，从空转到全功率的瞬时过程中潜在的风扇失速；以及在高MN和高Nfc下。因为这些关键运行条件下的最小面积约为4500in2，最大面积被设定为8000in2。

测试证实，在相关速度和MN范围内，有限面积的失速余量是可以接受的。超过40%限制的更大面积减少也被包括在内，以防止风扇窒息。风扇窒息是一个不太重要的考虑因素，但是在窒息条件下运行会导致模拟变得不稳定，所以必须在模型中解决这些条件。这些额外的面积减少（面积低于4500in2）超出了当前设计的能力，因此，需要进一步研究防止风扇堵塞的问题，以探索大于40%的面积减少率的可行性，或研究避免风扇堵塞的替代方案，如额外的可变几何形状或排放流量。为了这个未来概念发动机模型的目的，这个理想化的VAFN喉部面积被认为是可以接受的。

控制VBV是为了防止LPC失速余量在稳态时低于10%。与VAFN类似，制定了一个时间表，将VBV位置（全开的分数）与操作包络中的Nfc和MN联系起来。在图中可以看到VBV计划。在高Nfc值时，LPC失速余量接近40％。随着Nfc的降低，工作线向失速线靠近。在Nfc为1700rpm时，VBV在失速余量接近10%时打开。一旦VBV打开，它必须继续以相对于Nfc下降的速度打开，以保持失速余量大于10%。

执行器的模拟是用简单的一阶模型构建的。FMV和VBV执行器是用文献中定义的统一增益和时间常数来表示的共同动力学。VAFN执行器也是使用一阶传递函数建模的，然而动力学的定义是基于一个简单的研究。与VAFN领域一样，执行系统的研究正在进行中，目前的VAFN研究表明可能使用形状记忆合金，其响应速度对于所需的发动机瞬态来说可能太慢。

为了确定AGTF30的VAFN响应时间和理论上的最低要求，该模型以各种VAFN沉降时间（Ts）运行。这些运行包括在10秒内从空载加速到全功率，然后在70秒内从全功率减速到空载，如图所示。选择0.8秒和4秒的VAFN执行器沉降时间是为了接近跟踪控制器要求的（理想）区域，并保持一个与上述5秒加速要求相当的沉降时间。

在上图（a）中，显示了每次运行的VAFN面积，可以看出，随着Ts的增加，VAFN面积被延迟。图（b）和（c）显示了与理想驱动相比，增加VAFN延迟的影响。在图（b）中可以看到，随着VAFN延迟的增加，加速过程中的风扇速度会增加；反之，风扇速度会降低，最初是在减速时。这种影响是由于加速时压力比低于设计，减速时压力比高于设计，因为VAFN面积延迟到达设计面积值。这种延迟的额外影响显示在推力上（图（c）），在加速和减速期间都有推力损失。推力的损失提供了增加VAFN沉降时间的主要限制，25秒和45秒的Ts导致发动机不能满足从怠速到全功率的5秒加速的要求，失速余量也受到影响，如图（d）所示，在减速时失速余量较低。

虽然这个余量较低，但风扇失速余量并没有降到0以下，所以它被认为在所有测试的沉降时间内是可以接受的。从这个简单的分析中，我们确定9.8秒的Ts将是VAFN执行系统与基线控制器的最低要求。如果不能满足这一性能，先进的控制方法，如基于模型的发动机控制，可以用来放松这一要求。由于AGTF30发动机是一个概念发动机，将被用于一般的研究活动，并且由于执行器沉降时间的不确定性，我们决定使用一个理想的沉降时间执行器。这种较快的反应被认为是可以接受的，直到对一个可行的VAFN驱动系统进行更多的研究。

所有的传感器都是用增益和时间常数定义的一阶传递函数来建模的。每种类型的传感器的增益被设置为统一，而时间常数是根据文献中的一般值确定的。与执行器模型一样，传感器模型是为了实现一个简单的操作基线，额外的保真度要求将在未来评估。本设计中考虑的传感器和执行器的时间常数列于表2。

任务分析

为了证明AGTF30发动机模拟的能力，模拟了一个完整的飞行任务概况。这个飞行剖面图取自一个公共来源，包含了一架区域性商业飞机上记录的任务数据。高度、MN和PLA的轨迹如图所示，显示了一个典型的6000秒飞行，包括起飞和降落。在轨迹中，可以看到起飞时间约为800秒，随后爬升到大约30000英尺，在2000秒结束。

在4000秒时，飞机下降，在大约5250秒时降落。可变几何效应器（VBV和VAFN）从空闲状态调整到高功率运行，然后再返回。发动机性能标准TSFC在起飞前约为0.2ibm/hr/ibf，然后转移到约在巡航时为0.45ibm/hr/ibf，在发动机下降高度和降落时恢复到0.2ibm/hr/ibf。参数Ps3在起飞时急剧增加，随着高度的增加而减少，然后在发动机降落时随着高度的下降和PLA的调整而波动。参数T45、N1和N2主要跟随PLA。HPC和LPC的失速余量显示出在工作失速线以下持续运行，至少有10%。这些数值显示了一个典型的发动机任务瞬态，并显示了AGTF30在所有点上安全和稳定运行的能力。

研究总结

本文详细介绍了先进齿轮涡扇30千磅(AGTF30)模拟的控制器设计，这是一款概念性的齿轮涡扇发动机，用来代表先进/下一代飞机发动机。AGTF30的特点包括一个可变面积的风扇喷嘴、可变放气阀、与齿轮箱相连的风扇、相对较小的发动机核心以及超高的旁通率。AGTF30模拟是在MATLAB/Simulink中使用热力学系统建模和分析工具箱（T-MATS）创建的，目的是提供一个先进的燃气轮机的动态模拟，在整个飞行包络内都可以运行。

AGTF30的控制系统遵循一个典型的架构，使用预定值控制可变的几何形状，使用风扇速度反馈控制燃料流量，并有几组限制器来维持安全运行。全包络控制设计是通过线性化发动机模型来完成的，然后调整成套的比例积分控制器增益，或者根据每个操作点的设计标准来设置控制时间表。对所产生的参数的审查突出了可变面积风扇喷嘴的设计要求，对喷嘴面积和喷嘴回转速度的要求在目前可能无法实现。对使用基线风扇速度控制器的不同致动器回转速度的影响进行了简短的研究，并详细说明了对致动器的最低要求。

最后，对AGTF30发动机系统进行了任务性能分析，以证明动态系统要求得到满足。仿真结果表明，AGTF30发动机平台是一个功能齐全的动态发动机平台，能够用于下一代概念发动机的先进控制研究。