25-发动机在旋翼自转进入与退出过渡飞行状态的控制(王辉)

直升机对发动机在旋翼自转进入与退出过渡飞行状态控制的要求及应用 第二十四届（2008）全国直升机年会论文 发动机在旋翼自转进入与退出过渡飞行状态的控制 王辉 刘志文 胡招才 （中国直升机研究所，景德镇市 333001） 摘要：为适应直升机自转下滑飞行训练的需要，研究发动机在旋翼自转进入与退出过渡状态下的控制具有现实意义。自转进入与退出控制的目的是实现自转进入与退出过程平滑过渡，即尽可能保持自转状态下Np转速稳定，减少自转退出过程中Np超调和旋翼转速下垂。本文研究了直升机发动机在旋翼自转进入与退出过程中的控制方法，并对某型发动机的试飞结果进行了。 关键词：发动机 旋翼自转进入与退出 控制 1​ 引言 由于直升机自转着陆过程中直升机气动力等因素的复杂性，能否顺利实现自转着陆取决于飞行员对直升机操纵性能的熟悉和掌握程度，进行适当的自转下滑飞行训练有助于飞行员掌握直升机操纵特性，提高自转着陆的成功率。为了提高安全性，这种自转下滑飞行训练并不关闭发动机，而是采用快速减小总距的方法使得旋翼转速迅速超过发动机动力涡轮转速，从而进入旋翼自转状态，而发动机动力涡轮处于空载自转；在自转下滑飞行训练结束后，通过快速增加总距使旋翼转速下降，动力涡轮转速上升，二者重新啮合，旋翼退出自转状态。为适应这种自转下滑飞行训练的需要，研究发动机在旋翼自转进入与退出过渡状态下的控制方法就具有现实意义。 某型直升机安装有两台国外发动机，在研制初期电调软件中针对旋翼自转进入与退出的过渡飞行状态设置了专门的控制模块，并根据试飞结果进行了优化，经过试飞验证明该模块对旋翼自转进入与退出的过渡飞行状态下，发动机动力涡轮转速有较好的控制效果。本文对该型发动机的控制方法和飞行试验结果进行了分析。 2​ 旋翼自转进入与退出状态的特点分析 2.1​ 旋翼自转进入状态 自转进入是指旋翼传动由受发动机动力驱动的有动力飞行过渡到不受发动机驱动的无动力自转飞行的过程。该过程的特征是： a）​ 直升机通过快速降总距操作进入下滑飞行； b）​ 直升机高度下降的势能转换为旋翼自转的动能维持直升机的飞行； c）​ 发动机/传动之间的离合器已脱开，发动机动力涡轮为空载自转（无动力输出）； d）​ 旋翼/传动系统与发动机动力涡轮不同步运转，旋翼转速高于动力涡轮转速。 2.2​ 旋翼自转退出状态 自转退出是指旋翼从无动力自转飞行转到有动力飞行的过渡过程。该过程特征是： a）​ 直升机通过快速增加总距退出旋翼自转下滑飞行； b）​ 发动机/传动之间的离合器重新啮合； c）​ 旋翼/传动系统受发动机动力涡轮驱动运转； d）​ 旋翼/传动系统与发动机动力涡轮同步运转，两者转速相同。 3​ 旋翼自转进入与退出状态控制问的提出 一般地说，直升机自转及自转退出飞行，所用发动机状态都在发动机功率控制包线范围内，发动机控制系统应实现该工作状态的Np稳定控制。在旋翼自转进入与退出飞行控制中，必须考虑：1）进入自转及自转下滑飞行过程中，由于发动机处于空载自转状态，发动机能否稳定控制Np转速恒定？2）自转退出时，快速提距会不会导致旋翼转速出现过度下垂？对于设置超转自动保护停车且保护停车转速点又设定得不高的发动机，当旋翼处于高速自转状态，由于旋翼的惯性大，在快速提距过程中，会不会出现动力涡轮转速超转，从而导致发动机意外停车？这些问题应引起特别的关注，详细研究其控制特征并采取相应的措施。 对于问题1），应通过发动机台架试验摸清发动机空载运行的功率需求，从而给定合理的供油规律，保持发动机空载自转状态下的转速恒定。 对于问题2），应根据发动机控制模式采取不同的处理办法。为缩短发动机的功率响应时间，减少旋翼转速变化，直升机均采用总距-油门联动操纵方式，即将发动机油门控制与总距操纵交联起来，在操纵总距的同时也联动操纵油门，使发动机油门对于总距变化提前进行补偿调节，从而有利于保持旋翼转速的恒定。 对于采用机械液压式控制的发动机，由于总距-油门联动为机械线系操纵，在从自转状态退出的过程中，油门按照给定的传动比随总距的增加而变化，这样在快速提距过程中，发动机难以自主控制动力涡轮转速的超调量，主要依赖飞行员操纵总距来避免旋翼转速过度下垂，或避免动力涡轮转速超调过大引起发动机出现超转保护停车。对于采用电调控制的发动机，由于可以自动识别发动机在自转进入与退出过程的状态，总距-油门匹配参数事先在软件中设定，因此电调完全有可能做到根据不同的阶段自动调整发动机的控制参数，实现发动机在旋翼自转进入与退出过渡飞行状态中转速的平稳控制，从而减轻飞行员的负担，也尽可能避免因人为因素导致旋翼转速过度下垂或动力涡轮超转保护停车。 4​ 自转进入与退出控制方法 4.1​ 目的 自转进入与退出控制目的是实现自转进入与退出过程的平滑过渡控制。即： a）​ 自转进入时，发动机动力涡轮转速不出现过大超调，进入自转后转速保持恒定； b）​ 自转退出时，发动机动力涡轮转速不出现过大超调，旋翼转速不出现过度下垂。 4.2​ 控制方法 4.2.1​ 自传进入与退出状态的判据 发动机电调通过监测发动机扭矩Mkp、旋翼转速Nr、发动机动力涡轮转速Np三个参数来判断是否进入和退出自转状态，从而决定是否激活自转和退出控制逻辑。 a）​ 自转进入 同时满足以下两个条件，0.1248s后电调即判断旋翼进入自转状态： 1）​ Nr－Np≥0.25％ 2）​ Mkp＜3％ b）​ 自转退出 同时满足以下两个条件，0.1248s后电调即判断旋翼退出自转状态： 1）​ NR－Np＜0.25％ 2）​ Mkp＞4％ c）​ 当失去旋翼转速信号时，仅采用扭矩值判断是否进入或退出自转状态。 注：上述自转进入与退出判断条件，随不同直升机发动机的配置会有差异。 4.2.2​ 自转进入控制 自转进入控制时，发动机动力涡轮处于空载状态，为了增加Np控制的稳定性，需通过降低控制系统的增益来实现。一般在试飞前按照经验设定一个较低的增益值，然后通过飞行试验进行修正。 4.2.3​ 自转退出控制 4.2.3.1​ 自转退出过渡过程分析 自转退出时，通常总距增加较快，这个过程按离合器是否啮合可分为两个阶段，即离合器啮合之前的提距阶段与离合器啮合之后的提距阶段。 a）​ 离合器啮合之前的提距阶段 离合器啮合之前提距，由于发动机动力涡轮处于空载状态，快速提距，发动机受总距提前补偿调节作用，动力涡轮会很快加速，此时，若旋翼转速处于较高的自转状态，由于旋翼惯性大，旋翼转速下降滞后于动力涡轮转速的增加速度，则离合器会在较高转速点上啮合。 b）​ 离合器啮合之后的提距阶段 离合器啮合后提距，伴随直升机姿态调整，直升机高度下降受到抑制，此时，用于旋翼掉高势能明显减少，加上此时发动机功率不大，快速提距容易导致旋翼转速过度下垂。 4.2.3.2​ 控制方法 根据4.2.3.1所作的分析，应区别自转退出过程离合器啮合前后的两个阶段，采取不同的控制方法： a）​ 离合器啮合前的提距阶段，可能导致动力涡轮超转，必须减少总距补偿调节。 b）​ 离合器啮合后的提距阶段，可能导致旋翼转速过度下垂，必须增加总距补偿调节。 为了上述控制要求，当电调探测到旋翼处于自转状态时，根据自转进入与退出时的总距位置（CLP）设定控制门限值，即将CLP划分为三个区域分别处理， a）​ 在CLPmin门限值以下，增加CLP时，无总距补偿调节； b）​ 在CLPmax门限值以上，增加CLP时，按正常状态进行总距补偿调节，允许Ng快速上升来减小旋翼转速下垂。 c）​ 在CLPmax与CLPmin门限值之间，增大总距时有一定的总距补偿调节，但补偿调节量较小，通过降低Ng的增量来减小Np超调。 5​ 飞行试验 5.1 飞行试验目的 自转进入与退出过渡飞行状态相关的控制参数如CLP门限值的设定、总距补偿调节量等，均与旋翼负载特性和发动机有关，并不是一个确定的值。因此，为合理确定相关控制参数必须在不同飞行高度进行自转进入与退出飞行试验。 5.2 飞行试验结果分析 5.2.1 初始软件试飞结果分析 自转进入与退出控制时的CLP最小和最大门限值通常可以根据经验或地面试验预估给出初始值，最终值需要通过飞行试验实测予以修正给出。 某型发动机初始装机时，发动机厂商根据给定的旋翼负载特性及经验，按照不同高度分段在电调软件中设置初始CLP门限值，具体如表1所示，初始软件设定总距在CLPmin以下不进行总距补偿调节，在CLPmax以上进行正常总距补偿调节。 表1 初始CLP门限值设定 高度（Km） CLPmin(%) CLPmax(%) 0 7 25 4500 10 30 6000 15 30 初始状态软件装机后多次进行自转下滑试飞，图1以1500m高度的飞行试验为例分析了其中一次自转下滑试飞过程的参数变化情况。 从图1中可以看出CLP在7%~25%之间变化时，开始少量的总距补偿调节，压气机转速Ng、动力涡轮转速Np开始加速上升，由于此时发动机增加的功率主要用于增加动力涡轮转速，所以发动机输出扭矩Mkp并未增加；当CLP超过25%（设定的CLPmax）之后，开始正常的总距补偿调节，发动机功率开始快速上升，动力涡轮转速Np加速上升并与旋翼转速Nr啮合，同时发动机输出扭矩也开始增加。由于实际上自转进入点在CLP=23%，自转退出点在CLP=33%，所以在实际自转退出点之前，随着CLP增加到25%以上，正常的总距补偿调节已经开始，由于补偿调节偏大，使得Np超调较大，第一次恢复时达到108%，第二次达到107%。 根据试飞结果分析，可知初始设定的CLP门限值偏低，需要根据试飞结果对软件进行优化。 5.2.2 软件调整后试飞结果分析 软件优化后的CLP门限值设定如表2所示。 表2 调整后的CLP门限值设定 高度（Km） CLPmin(%) CLPmax(%) 0 23 33 4500 30 41 6000 35 41 经优化的软件装机进行了多次自转下滑试飞，图2以1500m高度的飞行试验为例分析了其中一次自转下滑试飞过程的参数变化情况。 从图2中可以看出，当CLP超过23%（设定的CLPmin）之后，开始少量的总距补偿调节，压气机转速Ng、动力涡轮转速Np开始加速上升，由于此时发动机增加的功率主要用于增加动力涡轮转速，所以发动机输出扭矩Mkp并未增加；当CLP超过33%（设定的CLPmax）之后，动力涡轮转速Np已经与旋翼转速Nr啮合，恢复了正常的总距补偿调节，发动机输出扭矩Mkp开始快速增加。 将软件优化前后多次自转下滑试飞数据进行了统计比较，如表3所示，可以看出，软件优化后可以有效减小自转退出时Np超调量，Nr下垂量也有所减小。 表3 软件改进前后自转下滑试飞数据对比 自转进入时CLP 自转退出时CLP 自转退出时Nr 自转退出时Np 软 件 优 化 前 第1次 23% 33% 99% 108% 第2次 24% 35% 96.7% 111.5% 第3次 21% 31% 98.6% 107.9% 第4次 21% 32% 98.4% 110% 软 件 优 化 后 第1次 23% 33% 99.8% 105% 第2次 25% 34% 99.5% 104% 第3次 24% 33% 99.3% 107% 第4次 25% 33% 99.2% 105% 6​ 结论 （1）自转进入与退出控制的目的是实现自转进入与退出过程平滑过渡，即尽可能保持自转状态下发动机Np转速稳定，减少自转退出过程中Np超调和旋翼转速下垂。 （2）采用电调控制的发动机可以自行判断旋翼自转进入和退出状态，从而自动激活自转进入和退出控制逻辑，并通过设置总距位置门限值，降低控制系统增益，分段设置总距补偿调节规律的方法实现自转进入与退出过程平滑过渡控制。 （3）自转进入与退出过渡飞行状态相关的控制参数如CLP门限值的设定、总距补偿调节量等，均与旋翼负载特性和发动机有关，为合理确定相关控制参数必须在不同飞行高度进行自转进入与退出飞行试验。 图1 软件改进前飞行试验 图2 软件改进后飞行试验 参 考 文 献 [1] 王晓勇、邓彦敏，共轴式直升机自转下滑着陆飞行轨迹近似计算，飞行力学，Vol.20,No.4,Dec 2002。 [2] 牛永红，杨百兴，直11直升机自转着陆试飞，飞行力学，Vol.19,No.3,Sep 2001。 [3] 王适存，直升机空气动力学，北京，航空工业教材编审组，1985。 [4] D.chmiel，XX ENGINE CONTROL SYSTEM INTERFACE CONTROL DOCUMENT FOR THE XX ROTORCRAFT INSTALLATION，2000。 [5] T.ranghianu，XX ENGINE CONTROL SYSTEM FLIGHT TEST FOR THE XX ROTORCRAFTINSTALLATION，2000。 The engine control during the rotor autorotation entry and recovery Wang hui Liu zhiwen Hu zhaocai (China helicopter research and development institute) Abstract: To accommodate the training flight of the rotor autorotation, research the engine control law during the rotor autorotation entry and recovery is necessary. This paper analyze the control law of one foreign engine and the flight validation result. Key words: Engine Control Rotor Autorotation