[发明专利]串联式TBCC发动机模态转换控制方法及装置

说明书

本发明公开了一种串联式TBCC发动机模态转换控制方法。在发动机模态转换过程中，以涡轮部件的最大状态工作点和慢车状态工作点作为优化边界，通过优化求解得到模态转换过程中总推力、总空气流量、风扇换算转速、后可变面积涵道引射器开度、模式转换活门开度的最优变化曲线，然后以总推力、总空气流量、风扇换算转速这三个直接性能量的最优变化曲线对发动机进行闭环控制，以后可变面积涵道引射器开度、模式转换活门开度的最优变化曲线对发动机进行开环控制。本发明还公开了一种串联式TBCC发动机模态转换控制装置。本发明以直接性能量作为被控量来对发动机进行闭环控制，可有效提高转换过程的平稳性，安全性和速度。

技术领域

本发明涉及一种涡轮基组合循环发动机(TBCC发动机)模态转换控制方法，尤其涉及一种串联式TBCC发动机模态转换控制方法。

背景技术

TBCC发动机)是将涡轮发动机与冲压发动机的工作循环组合起来的一种新型动力系统，具有飞行包线宽、常规起落和重复使用的优点，被认为是未来高速飞行器的理想动力之一。根据涡轮发动机与冲压发动机相对位置的不同，TBCC发动机可分为串联式和并联式布局，相较并联式布局，串联式TBCC发动机具有迎风面积小，结构紧凑，质量轻的优点。模态转换过程是实现TBCC发动机涡轮模态与冲压模态互相转换的过渡态模态，如何实现模态转换阶段的推力及空气流量的平稳过渡，一直以来是串联式TBCC控制系统研究的重点及难点。

近年来，众多学者致力于TBCC发动机建模及模态转换过程控制问题的研究。NASA研究中心开发了一个使用HiTECC(高马赫瞬态发动机循环代码)工具来模拟推进系统的仿真。对进气系统进行了测试，以评估基于涡轮机的联合循环推进系统执行受控进气模式转换的方法[J.T.Csank,T.J.Stueber,A turbine based combined cycle engine inletmodel and mode transition simulation based on HiTECC tool,in:48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit 2012,2012.https://doi.org/10.2514/6.2012-4149.]。北京航空航天大学陈敏采用Newton-Raphson算法求解串联变循环涡轮冲压发动机稳态模态过渡问题。该算法研究了多目标多变量目标规划算法，以保证串联涡轮冲压发动机模式转换的稳定性[C.Min,T.Hailong,Z.Zhili,Goal Programmingfor Stable Mode Transition in Tandem Turbo-ramjet Engines,Chinese Journal ofAeronautics.22(2009).https://doi.org/10.1016/S1000-9361(08)60130-2.]。张明阳利用吸气式高马赫推进系统仿真工具(HiMach)对小型串联TBCC发动机进行了模式转换性能分析。该算法基本实现了发动机推力和气流的平稳过渡，但没有考虑过渡过程的速度[M.Zhang,Z.Wang,Z.Liu,X.Zhang,Analysis of mode transition performance for atandem TBCC engine,in:52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference,2016,2016.https://doi.org/10.2514/6.2016-4573.]。南京航空航天大学冯海龙以模式转换过程中推力和气流的平稳过渡为目标，采用改进的ITLBO(Improved Teaching-LearningBased Optimization)算法对控制律进行优化。然而，主燃烧室燃料流量采用开环控制方式，存在抑制干扰能力弱、控制精度低等缺点[H.Feng,Research on Modeling andcontrol method of series TBCC engine.Nanjing University of Aeronautics andAstronautics,2019]。