[发明专利]基于稳定性估计与预测的航空发动机气动稳定性主动复合控制方法

说明书

本发明公开了一种基于稳定性估计与预测的航空发动机气动稳定性主动复合控制方法，所述主动复合控制方法包括：(1)压气机气动失稳机理及主动控制方法；(2)航空发动机稳定裕度估计及主动稳定性控制方法；(3)航空发动机失稳预测及主动防喘控制方法；(4)航空发动机主动稳定性复合控制方法。本发明针对航空发动机气动稳定性问题，通过压气机部件扩稳、剩余稳定裕度利用、主动防喘三个不同角度来提高发动机气动稳定性，获得一种喘振裕度可随应用需求动态调控的，适合航空发动机主动稳定性控制特点和工程应用背景的调控策略与算法，其满足实际使用要求。

技术领域

本发明涉及基于稳定性估计与预测的航空发动机气动稳定性主动复合控制方法，属于航空发动机稳定性控制技术领域。

背景技术

第四代战斗机的五个典型的技术特征是：隐形、超声速巡航、高机动性、综合航电和自主后勤。这些优越特性的实现离不开S形进气道和高推重比发动机的使用以及过失速机动的运用，但同时也使得进气畸变对压气机稳定性的不利影响越来越大，对发动机稳定性提出了更高的要求；发动机面临着高压比、高效率、高稳定性与高抗畸变能力综合寻优挑战，发动机性能与稳定性之间的矛盾越来越突出，对于我国在研制的高性能发动机乃至未来更高推重比的发动机来说，稳定性问题将变得更加突出，是新一代航空发动机研制成败的关键问题和技术“瓶颈”。航空发动机气动稳定性控制的难点在于稳定边界的不确定性。诸如进气畸变、发动机部件性能退化、制造及装配误差等等因素都会导致发动机稳定边界的移动。气动稳定性控制方法包括被动控制方法和主动控制方法。当前的航空发动机气动稳定性控制采用的是被动控制方法，其控制方法是建立在失稳控制线的基础上，结合短时增稳控制系统与失稳复原控制系统来解决发动机的不稳定工作问题。以失稳控制线、短时增稳控制系统及失稳复原系统为核心的被动控制方法已经发展较为成熟，在第三代战斗机的动力装置中得到了广泛的应用，很好地保证了发动机与飞机的安全。然而，失稳控制线保守的稳定裕度、短时增稳控制系统的开环性及失稳复原控制系统的事后性，使得传统的失稳控制方法具有诸多致命的缺陷，主要体现在以下几个方面：(1)失稳控制线的存在使得发动机的性能无法得到充分的发挥，在相同的性能需求下，不得不选择性能更高的发动机，这将导致发动机的重量大幅增加，推重比大幅减小；(2)失稳控制线缩小了发动机的工作范围，使得剩余喘振裕度无法得到有效利用，从而降低了发动机的可操作性和飞机的机动性；(3)短时增稳控制系统为开环控制，意味着不管发动机是否真的面临失稳危险，飞行员都会强制启动，这种保守的控制措施，无疑也将降低发动机的性能；(4)失稳复原控制系统启动时，发动机已经处于气动失稳状态，如果进入“不可恢复性失速”，失稳复原控制系统将无法发挥作用，而不得不空中停车重新启动，即便能成功地退出失稳状态，短暂的失稳也将加速发动机的老化，缩短发动机的使用寿命。

发明内容

本发明正是针对现有技术存在的不足，针对航空发动机气动稳定性问题，通过压气机部件扩稳、剩余稳定裕度利用、主动防喘三个不同角度来提高发动机气动稳定性，获得一种喘振裕度可随应用需求动态调控的，适合航空发动机主动稳定性控制特点和工程应用背景的调控策略与算法，其满足实际使用要求。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

基于稳定性估计与预测的航空发动机气动稳定性主动复合控制方法，所述主动复合控制方法包括：

(1)压气机气动失稳机理及主动控制方法

(1.1)压气机气动稳定性动态模型

在MG3模型的基础上，考虑压气机转子动态过程及旋转失速高阶谐波的影响来提高模型的精度，推导出一个新的压气机变转速过失速瞬态模型；

(1.2)压气机失稳机理分析及主动控制方法

采用分岔理论分析旋转失速和喘振的发生，从系统动力学的角度深入地了解旋转失速和喘振发生的机制，为压气机主动稳定性控制提供理论指导，根据对压气机稳定性模型的分岔分析获得的结论，可设计出压气机气动失稳主动控制方法，进而设计相应的控制算法；