[發明專利]航空發動機轉子軸系復雜振動的主動控制系統、方法

有效

• 申請號: 201911056768.X
• 申請日: 2019-10-31
• 公開（公告）號: CN112746875B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 周健
• 申請（專利權）人: 中國航發商用航空發動機有限責任公司
• 主分類號: F01D25/04
• 分類號: F01D25/04;F01D5/10;F01D21/00;F01D25/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 喻學兵

本發明提供航空發動機轉子軸系復雜振動的主動控制系統、方法。在該主動控制系統中，轉子轉速傳感器用于測量轉子轉速；振動傳感器用于測量轉子軸水平方向和垂直方向的振動；控制器中的振動估計模塊包括轉子轉速模型和EKF，接收轉子轉速傳感器信號以及振動傳感器信號，對轉子進行振動信號估計，根據振動信號估計以及轉子轉速傳感器信號輸出轉子轉速濾波信號和振動信號估計參數；燃油控制模塊根據轉子轉速濾波信號和振動信號估計參數作為自適應參數控制燃油輸出量。該主動控制系統能夠實現復雜振動抑制，使受控對象的振動水平在不同的飛行狀態下都能滿足要求，達到改善發動機可靠性和安全性設計，降低噪聲，延長發動機壽命的目的。

技術領域

本發明提供航空發動機轉子軸系振動的控制系統、方法。

背景技術

GTF(齒輪傳動渦扇發動機)是一種采用由低壓渦輪通過大功率齒輪箱來驅動風扇的設計方案。齒輪傳動系統在保證低壓壓氣機和低壓渦輪高速旋轉的同時，能使風扇以理想的低速旋轉。在同樣溫比、壓比的情況下，風扇轉速的降低可使直徑增大，從而大幅度提高涵道比，提高推進效率。因此，GTF構型不但降低了發動機的噪聲，也降低了發動機的油耗。

GTF發動機通過齒輪傳動系統驅動風扇，這些部分一起形成了一個復雜的機械扭振系統。在工作過程中，受到風扇等部件空氣動力激勵與傳動系統中的不平衡激勵、摩擦激勵以及時變剛度等因素的綜合影響，導致發動機端產生復雜的振動特性。由于傳動系統中各個部件的支承都具有一定彈性，橫向振動變得不可忽視，而且扭轉振動和橫向振動由于齒輪間的嚙合作用產生較強的耦合效應，其本質上是彎-扭耦合振動特性。

振動控制的基本方式可以分為主動控制和被動控制。被動控制通過外加部件實現振動的有效抑制，主要包括隔振器、動力吸振器、阻尼減震器等，它的缺點是器件維護成本高，而且控制頻帶窄。GTF發動機的齒輪箱傳動耦合動力學系統，具有極端復雜性和強非線性,其系統的振動模態尤其是發動機端的振動頻率會隨飛行條件的變化而發生顯著變動，變化頻帶較大。GTF發動機設計中雖然采用了聯軸器柔性聯結等手段來抑制振動，但仍舊無法在發動機大范圍工作時達到滿意效果。

主動控制則主要采用控制理論的實施，來實現對被控對象的振動控制。例如直升機的扭振控制通常采用在燃油控制的反饋通路中串入陷波濾波器來實現，通過濾除疊加了特定扭振頻率的轉速脈動來抑制燃油流量的脈動，也就是通過切斷燃油的能量輸入來避免自激振動的發生。陷波濾波器一般為常系數設計，采用多個濾波器串聯的方法來濾除不同狀態的扭振信號，如地面、空中慢車等狀態。不同于轉速恒定的渦軸發動機，GTF發動機輸出軸的轉速變化范圍大，在不同的飛行條件下受到的氣動載荷也變化很大，造成發動機端的振動頻率變化顯著，因此常系數的濾波器設計并不適用。

發明內容

GTF大涵道比渦扇發動機受到傳動系統不平衡激勵與齒輪嚙合時變剛度等因素影響，加之傳動系統中各部件支承均具有一定彈性，導致發動機端產生復雜的彎-扭耦合振動特性。此振動會和發動機的燃油調節系統相互耦合，進一步引起耦合動穩定性問題，嚴重時可能形成不穩定的自激振動。

GTF發動機中的彎扭耦合振動頻率會隨飛行條件和飛行狀態的變化而變化，具有較寬的頻率變化，這為主動控制系統的設計帶來了挑戰。當頻率變化超出設計頻帶時，由于系統具有很強的非線性，控制系統性能會顯著變差，甚至出現振蕩發散現象。

因此，本發明的一個目的是使受控對象的振動水平在不同的飛行狀態下都能滿足要求，為此提供一個航空發動機轉子軸系復雜振動的主動控制系統以及方法。

一種航空發動機轉子軸系復雜振動的主動控制系統，其包括用于測量轉子轉速的轉子轉速傳感器，用于測量轉子軸水平方向和垂直方向的振動的振動傳感器，以及控制器，其包括：

振動估計模塊，包括轉子轉速模型和擴展卡爾曼濾波器，接收轉子轉速傳感器信號以及振動傳感器信號，對轉子進行振動信號估計，根據所述振動信號估計以及轉子轉速傳感器信號輸出轉子轉速濾波信號和振動信號估計參數；以及