航空發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)液壓機械裝置仿真研究

張東輝

（中航工業(yè)航空動力控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214063）

航空發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)液壓機械裝置仿真研究

張東輝

（中航工業(yè)航空動力控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214063）

以某型航空發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)液壓機械裝置的設計為例，分別采用了經(jīng)典的仿真算法和專業(yè)仿真分析軟件A M ESim對液壓機械裝置各部件進行了建模和仿真計算，并對2種算法所得結果進行比較，表明A M ESim仿真軟件在液壓機械裝置仿真計算方面具有巨大優(yōu)勢。

數(shù)控系統(tǒng)；液壓機械裝置；航空發(fā)動機；A M ESim軟件；仿真模型

張東輝（1973），男，高級工程師，從事航空發(fā)動機控制系統(tǒng)設計工作。

0 引言

航空發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)由控制軟件、電子控制器、液壓機械裝置、傳感器組成。液壓機械裝置的結構雖然比純液壓機械式燃油調節(jié)器的簡單得多，但仍顯復雜，造成設計和加工困難，加工周期長，對介質要求較高，容易受外界條件干擾等。為了提高液壓機械裝置的性能和可靠性并縮短研制周期，必須在設計階段對其進行仿真分析，以及早發(fā)現(xiàn)并修正系統(tǒng)設計中的缺陷，確定最佳設計方案。隨著計算機技術的發(fā)展，美國波音公司的Easy5和法國IMAGE公司的AMESim等先進仿真軟件，已經(jīng)廣泛應用于先進航空發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)設計中。

本文以某型航空發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)液壓機械裝置為研究對象，介紹了其組成和原理，分別用經(jīng)典的仿真計算方法和AMESim仿真軟件對液壓機械裝置各部件進行了建模、仿真計算與比較分析。

1 仿真對象

某型航空發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)液壓機械裝置原理如圖1所示。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)液壓機械裝置原理

液壓機械裝置由齒輪泵、調節(jié)器和分布器組成。燃油經(jīng)過齒輪泵增壓，再經(jīng)過調節(jié)器中計量活門組件計量后進入分布器，經(jīng)分布器油路1進入噴嘴1；隨著去噴嘴流量的增加，噴嘴前燃油壓力增大，當壓力達到一定值時，燃油分布器油路2活門打開，燃油進入噴嘴2。計量活門位置由步進電機驅動并根據(jù)位置反饋信號閉環(huán)控制，計量活門前、后的壓差由壓差活門和回油活門共同控制為恒定值，使計量燃油流量與計量活門的開口截面積成正比。

在正常工作時，停車電磁閥通電，停車活門不工作，切油活門為通路，燃油經(jīng)過切油活門進入分布器后進入主燃油噴嘴。當需要緊急停車時，停車電磁閥斷電，停車活門一方面控制切油活門切斷通向分布器的油路，保證發(fā)動機停車，另一方面控制回油活門打開，將齒輪泵后燃油回到低壓，避免泵后壓力過大。

2 經(jīng)典仿真計算方法

2.1 壓差活門和回油活門的工作原理分析

壓差、回油活門工作原理如圖2、3所示。當壓差活門正常工作并達到穩(wěn)態(tài)時，作用在壓差活門上的力保持平衡，即彈簧作用力與壓差作用力保持平衡，存在以下關系

式中：Pjq、Pjh分別為計量活門前、后的燃油壓力；D為壓差活門的直徑；K為壓差活門彈簧倔強系數(shù)；Δx為壓差活門彈簧壓縮量。

圖2 壓差活門結構原理

圖3 回油活門結構原理

當Pjq增大或Pjh減小時，計量前、后壓差增大，作用在壓差活門上的力平衡被破壞，壓差活門向左移動，使回油活門的彈簧腔與計后相通，回油活門向左移動，回油開口增大，回油量增加，使計量前壓力減小，回油窗口固定在1個新的位置，并重新達到平衡狀態(tài)，壓差活門恢復至給定的壓差，計量活門前、后壓差減小至給定值；當Pjq減小或Pjh增大時，則反之。

2.2 計量活門開度計算

計量活門型孔為15.7 mm×1.6 mm的4個矩形方孔，根據(jù)計量活門流量特性及流量計算公式（1），可算得各狀態(tài)點對應的計量活門開度XJ，整理數(shù)據(jù)見表1。

表1 計量活門流量特性和開度

式中：QJ為計量后燃油流量，L/h；μ為流量系數(shù)，一般取μ=0.62～0.67；AJ為計量活門開口面積，mm2；ρ=0.83× 103kg/m3，為10號輕柴油密度；ΔP為計量活門前、后壓差，其設計值為1.0 MPa。

2.3 壓差活門壓力計算

在穩(wěn)定狀態(tài)下，作用在活門兩端的力是平衡的，由此可得

式中：DY為壓差活門直徑，mm；KY為壓差活門彈簧倔強系數(shù)，N/mm；HY為壓差活門彈簧自由高度，mm；H1Y為壓差活門彈簧工作高度，mm。

由式（2）得

式中：H0Y為彈簧預壓縮高度，mm；L0Y=0.5 mm，為壓差活門重疊量；XY為壓差活門開度，mm。

（1）活門開啟時壓差

（2）活門每移動或彈簧每改變1 mm，對應壓差活門壓差的改變量

（3）活門型孔完全打開時壓差

2.4 回油活門壓力計算

在穩(wěn)定狀態(tài)下，作用在活門兩端的力是平衡的，由此可得式中：Pk為回油活門彈簧腔壓力，MPa；DH為回油活門直徑，mm；KH為回油活門彈簧倔強系數(shù)，N/mm；HH為回油活門彈簧自由高度，mm；H1H為回油活門彈簧工作高度，mm。

由式（4）得式中：H0H為彈簧預壓縮高度，mm；L0H=1.5 mm，為回活門重疊量；XH為回活門開度，mm。

（1）活門開啟時對應的壓差

（2）活門每移動或彈簧每改變1 mm，對應回油活門壓差的改變量

（3）活門型孔完全打開時壓差

2.5 各狀態(tài)點的回油量QH計算由流量連續(xù)可得

式中：QB為齒輪泵打出的理論燃油流量，可由下式計算

式中：B=28 mm，為齒寬；Dp=60 mm，為齒輪泵分度圓直徑；m=5 mm，為齒輪泵模數(shù)；n為轉速，r/min；QB為齒輪泵理論供油量，L/h；η為效率系數(shù)，一般η=0.80～0.95，本文取η=0.80。

由式（6）、（7）可得各狀態(tài)點的回油量，見表2。

表2 各狀態(tài)點的回油量

2.6 回油能力計算

回油活門型孔如圖4所示。

各段均為4個型孔，A1=0.39 mm2，A1Z=0.39×4= 1.56 mm2；A2=11.34 mm2，A2Z=11.34×4=45.36 mm2；A3=17.24mm2，A3Z=17.24× 4=68.96 mm2。

圖4 回油活門型孔

式中：μ為流量系數(shù)，本計算取μ=0.65；AH為回油面積，mm2；Pt為低壓油壓力，取Pt=0.3MPa；QH為回油流量，L/h。

從式（8）可知，要計算QH需先求出Pjq，而Pjq可通過計算Pjh來求出，Pjh可以通過以下步驟計算。

噴嘴特性：在第1油路噴嘴前、后壓力差ΔP=3 MPa時，流量Q=(800±25)L/h；在第2油路噴嘴ΔP=3 MPa時，Q=(5400±70)L/h；噴嘴后的反壓力不大于0.3 MPa。

由噴嘴特性及流量計算公式得：第1油路當量噴嘴通流面積A1P=4 mm2；第2油路當量噴嘴面積A2P=27.2 mm2。

由第1、2油路分配活門彈簧及活門組件參數(shù)算得：第1油路分配活門全打開壓力P1QK=1.94 MPa；第2油路分配活門全打開壓力P2QK=5.07 MPa。

當轉速n=1660 r/min時，先假定第2油路分配活門沒打開，此時第1油路的流量等于發(fā)動機所需的流量(600±20)kg/h，由流量計算公式可得第1油路噴嘴前、后壓差ΔP1P=2.5 MPa，則第1油路噴嘴前壓力P1P=2.5+0.3=2.8 MPa，由此可知第1油路分配活門已完全打開，認為第1油路分配活門前壓力即等于第1油路當量噴嘴前壓力2.8 MPa；因為第2油路分配活門的開啟壓力為1.5 MPa，所以實際上此時第2油路分配活門已經(jīng)打開，發(fā)動機的所需流量QJ應為2油路噴嘴的流量之和，由此可得

式中：Q1P、Q2P分別為第1、2油路噴嘴流量，L/h；P1PQ、P2PQ分別第1、2油路噴嘴前壓力，Pa；P1PH、P2PH=0.3 MPa，分別為第1、2油路噴嘴后壓力。

不考慮停車活門的節(jié)流影響，則計后壓力Pjh等于第1、2油路分配活門前的壓力P1HMQ、P2HMQ，即

設在某狀態(tài)點第1油路分配活門開度為X1、第2油路分配活門開度為X2，則

對第1油路有Q1HM=Q1P，則由式（10）、（16）得

對第2油路有Q2HM=Q2P，則由式（11）、（17）得

式中：K1=22 N/mm，K2=37.7 N/mm，分別為第1、2油路分配活門彈簧倔強系數(shù)；H1=24.5 mm，H2=83 mm，分別為第1、2油路分配活門彈簧自由高度；H10=24.5、H20=80.5 mm，分別為第1、2油路分配活門彈簧預壓縮高度；L10=2 mm，L20=4 mm，分別為第1、2油路分配活門重疊量；X1、X2分別為第1、2油路分配活門開度，mm；A1、A2分別為第1、2油路分配活門開口面積，mm2；Q1H、Q2H分別為流過第1、2油路分配活門的燃油流量，L/h；P1HMQ、P2HMQ分別為第1、2油路分配活門前壓力，Pa。

聯(lián)立式（12）～（21）可解得各狀態(tài)點對應的Pjh值，先假定計量前、后壓差為1.0 MPa，則Pjq=Pjh+1.0。各狀態(tài)點對應的相關數(shù)據(jù)見表3。

根據(jù)表3中的Pjq及式（8）可得回油面積AH，由AH及如圖4所示活門型孔參數(shù)可得回油活門開度XH，整理數(shù)據(jù)見表4。

2.7 回油活門彈簧腔壓力計算

由式（4）可得

由表4和式（22）可計算得到回油活門彈簧腔壓力Pk的值，見表5。

表3 各狀態(tài)點對應參數(shù)

表4 回油活門回油量及其開度

表5 回油活門回油量及其行程

2.8 壓差活門壓差驗算

根據(jù)圖2、3，由流量連續(xù)可得

式中：A1=0.5 mm2，為計量前燃油進入回油活門彈簧腔的小孔面積；A2為壓差活門計后油通回油活門彈簧腔的開口面積，mm2。

由式（10）可得

由式（24）可算得各狀態(tài)點的A2，壓差活門通回油活門彈簧腔的型孔為2個直徑為1 mm的圓孔，由開口面積可算得各狀態(tài)點對應的活門開度XY，整理數(shù)據(jù)見表6。

表6 回油活門回油量及其行程

在n=1660、2550、3600、4040 r/min時，對應的壓差活門的壓差ΔP=0.92、0.93、0.92、0.92 MPa。

由于第5、9、10條的計算都是在假定ΔP=1.0 MPa的條件下進行的，現(xiàn)將所求得的各狀態(tài)點對應的壓差代回第4、8、9條重新按以上步驟計算，所得結果見表7。

表7 各狀態(tài)點的參數(shù)

2.9 仿真結果分析

由以上計算可知，在各狀態(tài)點的回油量均能滿足設計要求，且各狀態(tài)點的ΔP=0.93 MPa，也能滿足設計要求（1.0±0.1）MPa。

3 AMESim軟件仿真建模分析

3.1 AMESim軟件建模原則

首先用AMESim軟件對液壓機械裝置各功能部件進行建模仿真，然后對整個液壓機械裝置進行建模仿真，并進行研究分析。由于各功能部件之間存在著匹配關系，部件模型較多時仿真出現(xiàn)問題需要花大量時間去尋找，而且系統(tǒng)模型運行起來需很長時間，不利于調試，所以要本著循序漸進、從易到難的原則建立模型。

3.2 建模步驟

（1）建立沒有齒輪泵、壓差活門、回油活門、安全活門、停車活門、切油活門、分配器活門的基本模型，此時只需看計量活門的跟隨情況，其流量直接由計量活門決定。如果想知道設計流量，可以在計量活門型孔前加一定壓源，型孔后加一定壓力油箱，設定二者的壓力差為壓差活門設計壓差值即可。

（2）進行仿真，并根據(jù)結果調整部件間的匹配關系；加入壓差、回油和分配器活門模型，齒輪泵模型用可調節(jié)流量油源代替；運行模型，根據(jù)結果進行調整。

（3）加入齒輪泵模型和停車、切油、安全活門模型，進行完整的系統(tǒng)仿真。

3.3 建模結果

按照以上原則建立的數(shù)控系統(tǒng)液壓機械裝置AMESim仿真模型如圖5所示。

圖5 數(shù)控系統(tǒng)液壓機械裝置仿真模型

4 2種仿真計算結果的比較

4.1 仿真結果對比

選取計量活門開度、回油流量、壓差活門壓差相對于n的變化曲線作為比較結果。

采用經(jīng)典仿真計算方法，根據(jù)表7的數(shù)據(jù)可繪出XJ、QH、ΔP相對于n的關系曲線，分別如圖6～8所示。

采用AMESim仿真方法，根據(jù)如圖5所示的AMESim模型運行結果可以得到相應的XJ、QH、ΔP相對于n的關系曲線，分別如圖9～11所示。

圖6 計量活門開度相對轉速的關系曲線

圖7 回油流量相對轉速的關系曲線

圖8 壓差活門壓差相對轉速的關系曲線

圖9 計量活門開度相對轉速的關系曲線（AMESim）

圖10 回油流量相對轉速的關系曲線（AMESim）

圖11 壓差活門壓差相對轉速的關系曲線（AMESim）

4.2 對比結果分析

與經(jīng)典仿真計算方法相比，AMESim仿真具有以下4個優(yōu)點：

（1）建模過程簡單，所需工作量少；

（2）可進行動態(tài)仿真；

（3）程序中設定了液體可壓縮性和間隙泄漏等各種因素并做相應補償，仿真精度高；

（4）程序調整方便，便于更改設計。

5 結束語

在沒有AMESim仿真軟件前，進行液壓機械裝置設計時，為了保證設計的正確性，設計人員常采用手動仿真計算方法，但得到的結果只能用于靜態(tài)計算，而且受設計人員水平的限制以及省略參數(shù)過多的影響，計算結果與實際試驗結果相比常常出現(xiàn)較大差異。

本文以典型的發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)液壓機械裝置為例，分別采用經(jīng)典仿真方法和AMESim仿真軟件進行仿真，并對得到的結果進行比較，表明AMESim仿真軟件在液壓機械裝置仿真計算方面具有更大優(yōu)勢。

[1]李玉琳.液壓元件與系統(tǒng)設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1991：20-25.

[2]樊思齊.航空推進系統(tǒng)控制[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，1994：10-13.

[3]胡壽松.自動控制原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994：5-25. [4]孫健國.現(xiàn)代航空動力裝置控制[M].北京：航空工業(yè)出版社，2009：94-96.

[5]Jaw LC，MattinglyJ D.Aircraft engine controls：design,system analysis,and hea lth monitoring[M].American Institude of Aeronautics and Astronautics，2009：21-35.

Simulation of Hydro-Mechanical Unit(HMU)for Aeroengine Digital

Control System ZHANG Dong-hui
（AVIC Aviation Motor Control System Institute,Wuxi Jiangsu 214063,China）

Take the design of HMU for an aeroengine digital control system as an example,the each component of the HMU were modeled and simulated by the classic simulation algorism and emulation analysis software AMESim and the results were compared.The result show that AMESim simulation software has significant advantages on the HMU simulation.

digital control system;HMU;aeroengine;AMESim software;simulation model

2011-08-09