[发明专利]一种基于航空发动机压气机部件气动失稳的主动控制方法

说明书

本发明公开了基于航空发动机压气机部件气动失稳的主动控制方法，所述控制方法包括：(1)压气机气动稳定性动态模型；(2)压气机失稳机理分析及主动控制策略；(3)基于状态估计器的压气机稳定性输出反馈主动控制。本发明通过考虑压气机转子动态过程及旋转失速高阶谐波的影响，来提高压气机模型精度；通过分岔理论揭示压气机气动失稳的机理；利用分岔理论的结论，设计旋转失速及喘振主动控制器，抑制失稳现象的发生，扩大压气机稳定工作范围，满足实际使用要求。

技术领域

本发明涉及基于航空发动机压气机部件气动失稳的主动控制方法，其属于航空发动机稳定性控制技术领域。

背景技术

目前的航空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的挑战，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，其控制策略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策略已经发展较为成熟，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策略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，提供一种基于航空发动机压气机部件气动失稳的主动控制方法，通过考虑压气机转子动态过程及旋转失速高阶谐波的影响，来提高压气机模型精度；通过分岔理论揭示压气机气动失稳的机理；利用分岔理论的结论，设计旋转失速及喘振主动控制器，抑制失稳现象的发生，扩大压气机稳定工作范围，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：

一种基于航空发动机压气机部件气动失稳的主动控制方法，所述控制方法包括：

(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；

(2)压气机失稳机理分析及主动控制策略

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策略，进而设计相应的控制算法；

(3)基于状态估计器的压气机稳定性输出反馈主动控制