某型燃?xì)廨啓C(jī)燃油及葉片角控制系統(tǒng)方案與仿真

王兆銘 ，榮芹芳 ，郝彬彬 ，巴德純

（1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110004；2.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

燃油系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C(jī)的重要組成部分,其性能優(yōu)劣對燃?xì)廨啓C(jī)工作狀態(tài)有直接影響。葉片角度控制精確度對燃?xì)廨啓C(jī)性能和安全起著至關(guān)重要的作用[1]。

燃油及葉片角控制系統(tǒng)與電子控制器共同構(gòu)成全權(quán)限數(shù)控系統(tǒng)。在該系統(tǒng)設(shè)計中，仿真軟件起到越來越重要的作用。據(jù)報道，國外發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的研制工作有90%以上是由數(shù)值仿真和回路仿真完成的。因此，應(yīng)用仿真軟件可進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計、分析和優(yōu)化，能夠縮短燃?xì)廨啓C(jī)研制周期，降低研制成本。

本文提出了燃油及葉片控制系統(tǒng)方案，并采用AMESim仿真軟件進(jìn)行了供油規(guī)律及應(yīng)急控制規(guī)律仿真分析，為其詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)，大大縮短了該系統(tǒng)研制周期。

1 燃油及葉片角控制系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)功能

（1）與電子控制器共同實現(xiàn)從起動到最大狀態(tài)的燃油流量控制；

（2）與電子控制器共同實現(xiàn)對低壓0級、Ⅰ級、Ⅱ級和高壓壓氣機(jī)靜子葉片的角度控制；

（3）具有應(yīng)急斷油功能，保證燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)生故障時緊急停車,或系統(tǒng)斷電時快速切斷燃?xì)廨啓C(jī)的供油；

（4）限制系統(tǒng)最大壓力，避免系統(tǒng)發(fā)生故障時壓力過高；

（5）具有停車放油功能，即燃?xì)廨啓C(jī)正常停車后，自動將燃油總管中的余油放至漏油箱。

1.2 系統(tǒng)方案

燃油及葉片角控制系統(tǒng)方案由高壓燃油泵、燃油控制裝置、放油電磁閥、安全閥和葉片角控制裝置等元件組成，實現(xiàn)對燃油流量及葉片角等的控制。其原理如圖1所示。

高壓燃油泵安裝在燃?xì)廨啓C(jī)附件機(jī)匣上，與燃油控制裝置和葉片控制裝置通過管路連接，燃油控制裝置及葉片控制裝置與電子控制器構(gòu)成全權(quán)限數(shù)控系統(tǒng)。高壓燃油泵的功能是向燃油控制裝置提供一定流量的高壓燃油，滿足燃油控制裝置調(diào)節(jié)流量所需要的燃油流量和壓力。燃油泵采用柱塞泵，作為定量泵使用，泵輸出的流量與轉(zhuǎn)速成正比。

燃油控制裝置由計量活門、壓差回油活門、電液伺服閥、定壓活門、放氣活門、應(yīng)急電磁閥和放油電磁閥等元件組成，實現(xiàn)對燃油流量的控制。

壓差回油活門保持計量活門前、后的壓差恒定，使供油流量與計量活門的位置嚴(yán)格對應(yīng)；電液伺服閥控制計量活門的開度，使計量活門穩(wěn)定工作在需要的開度位置；放油活門用于發(fā)動機(jī)停車時將燃油總管中的燃油排至漏油箱，避免發(fā)動機(jī)內(nèi)部積油；定壓活門用于提供定壓油；放氣活門用于排出殼體內(nèi)的空氣，消除空氣對燃油系統(tǒng)性能的不利影響，內(nèi)部還設(shè)有多個油濾，以保護(hù)內(nèi)部的精密元件。

應(yīng)急電磁閥正常工作時通電，將進(jìn)、出口關(guān)閉，在正常停車或緊急停車時，應(yīng)急閥斷電使計量活門在短時間內(nèi)關(guān)閉。

放油電磁閥正常工作時通電，停車時斷電將分布器前的燃油快速放回低壓區(qū)。放油電磁閥和應(yīng)急閥單獨(dú)工作時都具備迅速切斷供油的能力，二者同時使用可以提高停車斷油的可靠性。

葉片角控制裝置采用4個電液伺服閥實現(xiàn)對風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片角度的控制功能。

1.3 系統(tǒng)控制原理

1.3.1 流量控制原理

電子控制器按燃?xì)廨啓C(jī)工作狀態(tài)需求輸出計量活門位移給定信號，并與計量活門位移反饋信號相比較，得到電液伺服閥控制電信號，電液伺服閥控制計量活門的開度，使計量活門穩(wěn)定工作在需要的開度位置，達(dá)到控制燃?xì)廨啓C(jī)在不同狀態(tài)下所需燃油流量，構(gòu)成閉環(huán)控制回路。

1.3.2 葉片角控制原理

由泵后高壓油提供油源，電子控制器根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)工作狀態(tài)需求輸出葉片角角度給定信號，與葉片角裝置上的位移傳感器反饋信號相比較后，得到電液伺服閥控制電信號，電液伺服閥控制作動筒腔壓力，從而改變?nèi)~片角角度，構(gòu)成閉環(huán)控制回路。系統(tǒng)控制原理如圖2所示。

2 系統(tǒng)仿真研究

建立燃油及葉片角度控制系統(tǒng)仿真模型是研究燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一。利用仿真技術(shù)可以對控制系統(tǒng)的各項性能進(jìn)行分析和評估[2]。本文采用AMESim軟件建立系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行仿真研究。AMESim軟件采用模塊化建模思想，提供了涵蓋眾多工程應(yīng)用領(lǐng)域的大量模塊，可以較為方便地實現(xiàn)高精度燃油系統(tǒng)仿真模型。大量工程經(jīng)驗表明，應(yīng)用AMESim軟件建立的仿真模型具有很高的精度，可滿足燃?xì)廨啓C(jī)燃油系統(tǒng)的仿真要求，其仿真結(jié)果對實際產(chǎn)品設(shè)計具有重要的參考價值。最終建立的AMESim仿真模型如圖3所示。

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真

燃?xì)廨啓C(jī)在起動階段對控制系統(tǒng)有較高的性能要求，通過仿真研究了燃油系統(tǒng)在起動階段的流量特性。仿真結(jié)果表明，燃油系統(tǒng)控油窗口的結(jié)構(gòu)對流量特性有較大影響。最終優(yōu)化得到控油窗口能夠?qū)崿F(xiàn)理想的流量特性，如圖4所示。

2.2 計量活門動態(tài)控制特性仿真

電液伺服閥的流量對計量活門控制特性有顯著影響。設(shè)定不同流量的電液伺服閥進(jìn)行了計量活門動態(tài)階躍性能仿真，以便得到合理范圍的伺服閥流量。對1組伺服閥流量在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了階躍特性仿真，得到了令人滿意的結(jié)果。其中1種仿真曲線如圖5所示。

2.3 燃油控制裝置流量特性仿真

分別在燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火、慢車及最大轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行流量特性仿真，模擬其在點(diǎn)火、起動、穩(wěn)態(tài)、加減速和最大轉(zhuǎn)速等工作狀態(tài)下的流量。仿真結(jié)果表明，在不同轉(zhuǎn)速下，供油流量控制穩(wěn)定，性能良好，如圖6所示。

2.4 燃油控制裝置流量應(yīng)急特性仿真

分別在點(diǎn)火、慢車及最大轉(zhuǎn)速時，控制器給應(yīng)急閥和放油閥斷電，進(jìn)行應(yīng)急特性仿真。仿真結(jié)果表明，流量從穩(wěn)態(tài)值下降至0的時間為0.2 s左右，可以保證燃?xì)廨啓C(jī)在緊急狀態(tài)下迅速切斷供油，實現(xiàn)緊急停車，如圖7所示。

3 結(jié)束語

本文介紹了某型燃?xì)廨啓C(jī)燃油及葉片角控制系統(tǒng)方案，并采用AMESim軟件開展了供油規(guī)律及應(yīng)急控制規(guī)律的仿真研究。結(jié)果表明，該系統(tǒng)供油流量特性符合燃?xì)廨啓C(jī)總體要求，控制穩(wěn)定可靠；應(yīng)急流量特性可以在緊急狀態(tài)下迅速切斷供油而緊急停車，保證了燃?xì)廨啓C(jī)安全；燃油及葉片角控制系統(tǒng)可以滿足燃?xì)廨啓C(jī)臺架試車使用要求。

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