渦扇發(fā)動機(jī)主燃油流量監(jiān)控模型的建立及驗(yàn)證

郝曉樂，申世才，齊海帆，高 揚(yáng)

(中國飛行試驗(yàn)研究院發(fā)動機(jī)所，陜西 西安 710089)

1 引言

新型航空發(fā)動機(jī)的飛行試驗(yàn)，特別是裝配新型航空發(fā)動機(jī)的單發(fā)飛機(jī)的飛行試驗(yàn)，具有很高的危險性。為保證飛行安全，需隨時關(guān)注發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，對比重要參數(shù)隨時間的變化情況，分析、判斷發(fā)動機(jī)工作的可靠性和安全性，預(yù)測可能產(chǎn)生的故障并及時排故。燃油流量是發(fā)動機(jī)的一個主要性能參數(shù)，實(shí)際反映了發(fā)動機(jī)的耗油率，其數(shù)值變化體現(xiàn)了發(fā)動機(jī)性能衰減的程度，也是直接影響飛機(jī)性能的重要因素[1]。在一定程度上，燃油流量還可反映出發(fā)動機(jī)的健康情況，有助于地面人員發(fā)現(xiàn)潛在的問題和故障。然而受測試條件的限制，單發(fā)飛機(jī)通常無法安裝燃油流量計(jì)，某型渦扇發(fā)動機(jī)試飛時也存在同樣問題。為確保其飛行試驗(yàn)安全，本文利用在發(fā)動機(jī)上加裝的傳感器和電子控制器測得的參數(shù)，間接得到主燃油流量，建立了該型渦扇發(fā)動機(jī)主燃油流量監(jiān)控模型，并利用裝機(jī)后的地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 渦扇發(fā)動機(jī)主燃油系統(tǒng)

該型渦扇發(fā)動機(jī)的主燃油系統(tǒng)，由主燃油泵調(diào)節(jié)器、發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度感受附件、管路、主燃油系統(tǒng)燃油濾等組成，主要負(fù)責(zé)供給發(fā)動機(jī)主燃燒室的燃油，并為發(fā)動機(jī)消喘裝置、風(fēng)扇進(jìn)口可調(diào)葉片裝置、高壓壓氣機(jī)可調(diào)靜子裝置供油。主燃油泵調(diào)節(jié)器是帶機(jī)械液壓備份的電調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可保證主燃油系統(tǒng)在數(shù)控系統(tǒng)和備份系統(tǒng)下正常工作，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)主燃油流量的控制。

以穩(wěn)態(tài)時的轉(zhuǎn)速控制為例，當(dāng)油門桿穩(wěn)定在發(fā)動機(jī)慢車域及慢車以上任意位置時，電子控制器根據(jù)油門桿位移、環(huán)境溫度等信號，向主供油控制電磁閥發(fā)出電信號，通過主燃油計(jì)量裝置的主供油控制電磁閥和執(zhí)行活門，改變計(jì)量開關(guān)位置，控制供向主燃燒室的油量，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，從而保證發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與油門桿位置對應(yīng)。整個過程中，來自飛機(jī)燃油系統(tǒng)中的燃油進(jìn)入燃油增壓泵，增壓后沿導(dǎo)管進(jìn)入總?cè)加蜑V，過濾后進(jìn)入主燃油泵調(diào)節(jié)器，再經(jīng)主燃油計(jì)量裝置分配，進(jìn)入主燃燒室管路內(nèi)，最后經(jīng)噴嘴霧化、燃燒。

3 建立主燃油流量監(jiān)控模型的基本思路

受測試條件限制，該型發(fā)動機(jī)上沒有安裝燃油流量計(jì)，只能通過間接計(jì)算得到主燃油流量。而該型發(fā)動機(jī)是以全權(quán)限數(shù)字電子控制(FADEC)系統(tǒng)為主控制系統(tǒng)，以機(jī)械液壓系統(tǒng)為備份控制系統(tǒng)。因此，期望建立的主燃油流量監(jiān)控模型，能全面反映發(fā)動機(jī)氣路、燃油流路及電調(diào)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

圖1顯示了沿發(fā)動機(jī)氣路安裝的壓力傳感器的分布情況。從發(fā)動機(jī)加裝參數(shù)看，在發(fā)動機(jī)燃油流路上也分布有很多壓力測量裝置，可通過噴嘴前后的壓力差計(jì)算流過噴嘴的燃油流量，從而得到主燃油流量。FADEC系統(tǒng)控制下的主燃油流量，由主燃油泵調(diào)節(jié)器感受發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)計(jì)算得到，與主燃油計(jì)量裝置上計(jì)量開關(guān)的位移成一定關(guān)系。通過對比流經(jīng)噴嘴和主燃油計(jì)量裝置的燃油流量，就可建立主燃油監(jiān)控模型，全面了解發(fā)動機(jī)各系統(tǒng)的工作狀況。

圖1 沿發(fā)動機(jī)氣路的壓力測點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of pressure measuring points in gas-path

本文所采用的數(shù)據(jù)均在地面狀態(tài)下測得，包括發(fā)動機(jī)地面臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)和裝機(jī)后的地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過地面臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到流經(jīng)噴嘴的燃油流量，而流經(jīng)主燃油流量計(jì)的燃油流量由電子控制器的控制規(guī)律給出。建立監(jiān)控模型后，利用裝機(jī)后的地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)可驗(yàn)證監(jiān)控模型的準(zhǔn)確性。

4 主燃油流量監(jiān)控模型

4.1 WfHS與的函數(shù)關(guān)系式

從主燃油系統(tǒng)的工作過程看，由于燃油系統(tǒng)的回油調(diào)節(jié)量非常小，當(dāng)發(fā)動機(jī)不存在消喘、防喘指令，不需要調(diào)節(jié)風(fēng)扇進(jìn)口可調(diào)葉片和高壓壓氣機(jī)可調(diào)靜子等附件裝置(按給定穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律控制)，即發(fā)動機(jī)燃油無額外消耗時，經(jīng)噴嘴霧化的燃油流量即為發(fā)動機(jī)的主燃油消耗量。

該型渦扇發(fā)動機(jī)主燃燒室噴嘴為雙油路離心式噴嘴，分為主、副油路，分別由節(jié)流活門1和單向活門2控制。在較小油量時，為保證供油壓力和霧化質(zhì)量，只有單向活門2開啟，即副油路供油；當(dāng)燃油油量增加到一定程度時，節(jié)流活門1打開，主、副油路同時供油[2]。雙路雙噴嘴形式使噴嘴具有較寬的供油范圍，能保證發(fā)動機(jī)在任何工作狀態(tài)下都獲得所需的供油量和良好的霧化質(zhì)量[3]。

主燃燒室內(nèi)共計(jì)m個噴嘴，除點(diǎn)火電嘴兩側(cè)的燃油噴嘴流量為放大型，其余均為標(biāo)準(zhǔn)型。每個噴嘴的流量可表示為：

式中：Qn為單個噴嘴的燃油流量，Vn為燃油流速，An為噴嘴出口面積，ρ為燃油密度。根據(jù)伯努利方程，式(1)可改寫為：

式中：Δp為噴嘴進(jìn)出口壓力差。噴嘴前壓力即為燃油總管壓力pf；噴嘴后壓力實(shí)際應(yīng)為燃燒室總壓，但在發(fā)動機(jī)上并沒有測量，可用理論上相差不大的高壓壓氣機(jī)后壓力p31代替。有：

則整個主燃燒室消耗的燃油流量Wf為：

假設(shè)每個噴嘴出口前后的壓差相同，流經(jīng)各噴嘴的燃油密度也相同，則式(4)可簡化為：

即發(fā)動機(jī)的主燃油流量與噴嘴前后壓差的開方成正比，通過實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)即可得到兩者函數(shù)關(guān)系。

該型渦扇發(fā)動機(jī)地面臺架試驗(yàn)時，在主燃油管路上安裝了流量計(jì)，獲得了充足的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖2示出了4次地面臺架性能試驗(yàn)中所測壓差的開方與Wf的數(shù)值。由于幾次試驗(yàn)期間大氣條件變化較大，Wf分別按式(6)和式(7)進(jìn)行了換算[4，5]。

圖2 地面臺架性能試驗(yàn)中WfHS隨的變化情況Fig.2 WfHSvs.of bench test

式中：p0=101325 Pa，T0=288.15 K，pH、TH分別為非標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的環(huán)境壓力和溫度。

從圖2中可看到，數(shù)據(jù)具有較好的重復(fù)性，主燃油流量隨壓差的開方大致成線性分布，兩者間的相關(guān)性系數(shù)為0.996。該型渦扇發(fā)動機(jī)通過噴嘴前后壓差Δp控制雙油路供油方式，當(dāng)Δp≥0.15 MPa時，活門2打開，副油路開始供油；當(dāng)Δp≥0.80 MPa時，活門1打開，主、副油路同時供油。將主燃燒室內(nèi)的m個噴嘴看作一個總噴嘴，通過擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)就可得到主油路和副油路的流量曲線，再分段推導(dǎo)即可得到不同壓差范圍內(nèi)發(fā)動機(jī)主燃油流量與壓差的開方的函數(shù)關(guān)系式。

選取換算后的第4次試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為擬合基準(zhǔn)，主油路(活門1)和副油路(活門2)的流量曲線分別如式(8)、式(9)所示。

則WfHS與的函數(shù)關(guān)系式為：

圖3(a)給出了第4次臺架試驗(yàn)實(shí)測主燃油流量的換算值與按式(10)擬合得到的主燃油流量換算值的對比情況，最大相對誤差為1.52%。圖3(b)為第3次臺架試驗(yàn)實(shí)測主燃油流量的換算值與按式(10)計(jì)算得到的主燃油流量換算值的對比情況?？梢?，以第4次試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)得到的函數(shù)關(guān)系式與第3次試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)的符合性依然很好，最大相對誤差為3.69%。這說明式(10)具有一定的工程通用性，可用于表征WfHS與的函數(shù)關(guān)系。

圖3 第4次和第3次臺架試驗(yàn)實(shí)測主燃油流量的換算值與計(jì)算值的對比Fig.3 Comparison of the fourth and third test data of corrected main fuel flow with computed results

4.2 WfHS與Lm的函數(shù)關(guān)系式

該型渦扇發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)是帶有數(shù)字電子控制器的供油調(diào)節(jié)系統(tǒng)。參考前文介紹的發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制方法，主燃油系統(tǒng)的燃油流量受電子控制器嚴(yán)格控制，通過主燃油計(jì)量裝置上計(jì)量開關(guān)的位移Lm即可估計(jì)主燃油流量的大小。圖4示出了電子控制器給定的主燃油計(jì)量開關(guān)位移與主燃油流量的對應(yīng)關(guān)系。圖中的主燃油流量按控制規(guī)律在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下計(jì)算得到，也以WfHS表示。由于數(shù)據(jù)點(diǎn)過少，需擬合得到兩者的函數(shù)關(guān)系式。

圖4 主燃油計(jì)量開關(guān)位移與主燃油流量的對應(yīng)關(guān)系Fig.4 Relationship betweenLmandWfHS

對比多種擬合方法，確定采用三次多項(xiàng)式擬合，同時除去數(shù)據(jù)中的最小點(diǎn)。這樣既可得到較好的擬合精度，又不會造成擬合公式過于繁瑣，影響實(shí)際使用。WfHS與Lm的函數(shù)關(guān)系式為：

圖5對比了控制器計(jì)算的主燃油流量給定值和擬合結(jié)果，最大相對誤差為2.64%。由于該型渦扇發(fā)動機(jī)地面臺架試驗(yàn)時Lm測試解析有誤，無法使用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證式(11)。

圖5 不同主燃油計(jì)量開關(guān)位移下控制器計(jì)算的WfHS給定值與擬合值的對比Fig.5 Comparison of computed results ofWfHSunder differentLm with fitted results

4.3 主燃油流量監(jiān)控模型的建立和驗(yàn)證

通過前文的推導(dǎo)，獲得了WfHS=f()及WfHS=f(Lm)的函數(shù)關(guān)系式。由于在試驗(yàn)載機(jī)上沒有加裝主燃油流量測量裝置，上述兩個函數(shù)關(guān)系式不能直接監(jiān)控發(fā)動機(jī)狀態(tài)。聯(lián)立兩式，建立監(jiān)控模型：

方程左側(cè)表征了加裝參數(shù)與主燃油流量的函數(shù)關(guān)系，右側(cè)表征了電子控制器參數(shù)與主燃油流量的函數(shù)關(guān)系。對比兩者，可通過加裝參數(shù)判斷電子控制器的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)主燃油計(jì)量裝置故障；反之，亦可通過電調(diào)參數(shù)發(fā)現(xiàn)加裝傳感器、壓氣機(jī)氣路或燃油流路故障。

發(fā)動機(jī)裝機(jī)后，測量pf和p31的加裝傳感器均未更換，可利用裝機(jī)狀態(tài)下的地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證式(12)，結(jié)果如圖6所示。圖中按式(7)換算?？梢?，實(shí)測值和計(jì)算值吻合性很好，最大誤差為2.53%，即第二次試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的最小點(diǎn)；其余各數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差都在1.00%以下。因此可認(rèn)為式(12)構(gòu)成的監(jiān)控模型具有較好的準(zhǔn)確性和工程通用性，能夠在該型渦扇發(fā)動機(jī)飛行試驗(yàn)中長期使用。

圖6 裝機(jī)后實(shí)測試驗(yàn)結(jié)果與監(jiān)控模型計(jì)算結(jié)果的對比Fig.6 Comparison of installed engine ground test data with computed results

5 結(jié)論

(1)利用發(fā)動機(jī)地面臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合主燃燒室噴嘴的工作特性，可得到主燃油流量與噴嘴前后壓差的開方的函數(shù)關(guān)系，同時根據(jù)電子控制器給定的主燃油流量與主燃油計(jì)量開關(guān)位移的函數(shù)關(guān)系，兩者聯(lián)立可建立主燃油流量監(jiān)控模型。

(2)利用該型發(fā)動機(jī)裝機(jī)后的地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)對建立的監(jiān)控模型進(jìn)行的驗(yàn)證表明，監(jiān)控模型的計(jì)算值與兩次試驗(yàn)的實(shí)測值符合性很好，最大誤差僅為2.53%，該監(jiān)控模型具有較高的準(zhǔn)確性和工程通性。通過比較當(dāng)天飛行數(shù)據(jù)與模型的符合程度，可以幫助地面人員及時發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)主燃油系統(tǒng)和核心機(jī)氣路的異常，排除潛在故障，確保飛行安全。

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