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    航空發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究

    2014-11-19 08:42:38迪,曲
    航空發(fā)動(dòng)機(jī) 2014年6期
    關(guān)鍵詞:作動(dòng)筒油源活門

    孔 迪,曲 山

    (中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽(yáng)110015)

    0 引言

    推力矢量技術(shù)是當(dāng)今國(guó)際競(jìng)相研發(fā)的現(xiàn)代航空技術(shù)。較常規(guī)戰(zhàn)斗機(jī)而言,采用推力矢量技術(shù)的戰(zhàn)斗機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)短距離起飛著陸,且具備過(guò)失速機(jī)動(dòng)的能力,大幅提高了飛機(jī)的作戰(zhàn)效能和生存能力。軸對(duì)稱矢量噴管(AVEN)控制技術(shù)作為先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的矢量控制技術(shù)之一,在保持軸對(duì)稱收/擴(kuò)噴管基本結(jié)構(gòu)和性能的基礎(chǔ)上,對(duì)局部結(jié)構(gòu)做了適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì),輔以1套可單獨(dú)操縱噴管擴(kuò)張矢量作動(dòng)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)俯仰矢量偏轉(zhuǎn)和周向矢量偏轉(zhuǎn),滿足飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制的要求[1-4]。

    本文基于配裝AVEN的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車,選取典型發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行階躍輸入動(dòng)態(tài)測(cè)試,研究了矢量噴管控制系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)基本性能、控制系統(tǒng)油源壓力、流量對(duì)矢量系統(tǒng)性能的影響。

    1 控制系統(tǒng)工作原理

    矢量作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)如圖1所示。矢量電子控制器通過(guò)控制互成120°的3個(gè)作動(dòng)筒帶動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)來(lái)提供俯仰或偏航所需矢量角。

    圖1 矢量作動(dòng)筒

    1.1 控制邏輯

    軸對(duì)稱矢量噴管控制的邏輯重點(diǎn)為2方面:一是在所有飛行狀態(tài)下,保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作,即非矢量控制;二是在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下,實(shí)現(xiàn)推力矢量控制,即矢量控制[5-8]。

    非矢量控制即根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)和控制指令,按設(shè)定的噴管面積調(diào)節(jié)規(guī)律來(lái)調(diào)節(jié)A8(喉道噴管截面面積)和A9(矢量噴管截面面積),以保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)和油門桿角度等控制指令,按照調(diào)節(jié)規(guī)律控制A8的大小。同時(shí),矢量噴管根據(jù)A8的大小,按設(shè)定的非矢量狀態(tài)來(lái)匹配控制A9。

    矢量控制在接收到矢量請(qǐng)求時(shí),按設(shè)定的矢量規(guī)律控制噴管偏轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)矢量推力控制。

    矢量控制需設(shè)置噴管應(yīng)急控制系統(tǒng)。在接收到手動(dòng)禁止矢量控制或電子控制器故障時(shí),將噴管置于預(yù)先設(shè)定的應(yīng)急狀態(tài)位置。

    1.2 組成及原理

    發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管控制系統(tǒng)由電子控制單元和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,通過(guò)數(shù)字式電液伺服控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)噴管收/擴(kuò)面積和轉(zhuǎn)向的控制[9-12]。

    電子控制單元通過(guò)軟、硬件結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。硬件主要包括上位計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口、矢量噴管電子控制器、傳感器、電液伺服閥、電接插件、開(kāi)關(guān)和電纜等。

    液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由電液伺服閥、液壓鎖、線位移傳感器、分油活門、液壓作動(dòng)筒以及油濾組成。液壓鎖與電液伺服閥聯(lián)動(dòng),可用于阻斷電液伺服閥故障,以接通應(yīng)急控制油路[13-17]。

    在正常情況下,矢量電子控制器接受矢量要求信號(hào),通過(guò)軟件控制邏輯運(yùn)算后,驅(qū)動(dòng)電液伺服閥。伺服閥的油源是定壓油,其輸出的控制油壓作用在分油活門處,使分油活門移動(dòng),偏離穩(wěn)態(tài)平衡位置,該位置通過(guò)位移傳感器反饋至矢量電子控制器,構(gòu)成內(nèi)控回路;分油活門位置發(fā)生變化,改變活門與襯套的相對(duì)位置即改變了分油活門控制窗面積,進(jìn)而改變A9作動(dòng)筒2腔壓力,使作動(dòng)筒向需求方向移動(dòng)。作動(dòng)筒位移傳感器將位移反饋給矢量電子控制器,構(gòu)成外控回路,直至A9的3個(gè)作動(dòng)筒穩(wěn)定在需求位置。

    3個(gè)A9矢量作動(dòng)筒在發(fā)動(dòng)機(jī)筒體的同一圓周上均勻安裝,通過(guò)拉桿與A9調(diào)節(jié)環(huán)相連。噴管處在非矢量狀態(tài)時(shí),矢量作動(dòng)筒同步工作,噴管軸線與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線重合,起到噴管收/擴(kuò)作用。噴管處在矢量狀態(tài)時(shí),矢量作動(dòng)筒按照矢量控制規(guī)律異步動(dòng)作,通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)使擴(kuò)張調(diào)節(jié)片繞喉道上的連接點(diǎn)產(chǎn)生不同角度轉(zhuǎn)動(dòng),擴(kuò)散段噴管軸線偏離非矢量狀態(tài)軸線,使噴管內(nèi)燃?xì)饬鞣较虬l(fā)生改變,實(shí)現(xiàn)推力轉(zhuǎn)向。電液伺服閥通過(guò)控制分油活門的開(kāi)度和方向來(lái)控制作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)的速度和方向,形成雙閉環(huán)控制回路,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)矢量控制。

    發(fā)動(dòng)機(jī)自身控制器和液壓機(jī)械調(diào)節(jié)裝置共同完成對(duì)A8和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的控制。矢量電子控制器負(fù)責(zé)控制收/擴(kuò)式矢量噴管出口面積及矢量偏轉(zhuǎn)角和矢量方位角。在A8調(diào)節(jié)環(huán)上設(shè)有傳感器,用于感知A8,其信號(hào)供電子控制器使用,通過(guò)控制軟件使A8與A9間保持一定函數(shù)關(guān)系。在非矢量狀態(tài)下,A9由電子控制器操控,按函數(shù)關(guān)系隨A8變化。

    在矢量狀態(tài)下,控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),可通過(guò)液壓鎖使噴管恢復(fù)到非矢量狀態(tài)。矢量電子控制器接收到應(yīng)急請(qǐng)求后,將應(yīng)急信號(hào)傳輸給電液伺服閥和液壓鎖,此時(shí)液壓鎖斷電,切斷電液伺服閥負(fù)載窗口與對(duì)應(yīng)分油活門控制腔的油路,定壓油單方向驅(qū)動(dòng)分油活門,使3個(gè)矢量作動(dòng)筒處于最小伸長(zhǎng)量,噴管A9在此時(shí)達(dá)到最大值。

    2 試驗(yàn)與測(cè)試準(zhǔn)備

    選取典型發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)點(diǎn)試車,油源壓力P取10、14和15MPa,油源流量Q選取80、110L/min,噴管方位角α 選取0°和180°,噴管偏轉(zhuǎn)角β 在0°~10°間呈階躍變化。

    通過(guò)壓力傳感器感測(cè)2號(hào)和3號(hào)作動(dòng)筒2腔壓力及調(diào)節(jié)器進(jìn)口油壓。偏轉(zhuǎn)角階躍時(shí),需要?jiǎng)討B(tài)錄取矢量作動(dòng)筒位移的給定值和反饋值,以及2號(hào)和3號(hào)作動(dòng)筒兩端的腔壓、偏轉(zhuǎn)角度、油源壓力和調(diào)節(jié)器進(jìn)口壓力。

    3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

    3.1 作動(dòng)筒的負(fù)載力

    3.1.1 加力狀態(tài)作動(dòng)筒負(fù)載力

    2號(hào)和3號(hào)作動(dòng)筒負(fù)載力(Q=110L/min)在加力狀態(tài)時(shí)的具體數(shù)值見(jiàn)表1,變化趨勢(shì)如圖2(α=0°)和圖3(α=180°)所示。

    3.1.2 中間狀態(tài)作動(dòng)筒負(fù)載力

    2、3號(hào)作動(dòng)筒負(fù)載力在中間狀態(tài)的具體數(shù)值見(jiàn)表2。

    3.1.3 作動(dòng)筒負(fù)載力試驗(yàn)結(jié)果分析

    (1)在中間狀態(tài)下的負(fù)載力比在加力狀態(tài)下的小。

    (2)在加力狀態(tài)下,在P=15MPa,α=180°,β=21°時(shí),2號(hào)作動(dòng)筒軸向負(fù)載力最大。

    (3)在加力狀態(tài)下,在P=10MPa,α=180°,β=27°時(shí),給定偏轉(zhuǎn)角雖然很大,但噴管偏轉(zhuǎn)未到位,這說(shuō)明油源壓力值低,難以克服噴管氣動(dòng)負(fù)載。

    表1 加力狀態(tài)作動(dòng)筒負(fù)載力

    圖2 2、3號(hào)作動(dòng)筒軸向負(fù)載力(α= 0°)

    圖3 2、3號(hào)作動(dòng)筒軸向負(fù)載力(α=180°)

    表2 中間狀態(tài)作動(dòng)筒負(fù)載力

    3.2 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差

    3.2.1 作動(dòng)筒位移穩(wěn)態(tài)誤差(位移為代碼)

    在Q=110L/min,P=10、14MPa時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差見(jiàn)表3、4。

    表3 作動(dòng)筒位移穩(wěn)態(tài)誤差(P=10 MPa, Q=110 L/min)

    表4 作動(dòng)筒位移穩(wěn)態(tài)誤差(P=14 MPa, Q=110 L/min)

    3.2.2 穩(wěn)態(tài)誤差分析

    (1)當(dāng)P=14MPa、α=0°或180°時(shí),偏轉(zhuǎn)角階躍變化后穩(wěn)定。發(fā)動(dòng)機(jī)由74%高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速狀態(tài)升到加力狀態(tài)時(shí),3個(gè)矢量作動(dòng)筒位移穩(wěn)態(tài)誤差一般為0.07%~0.92%(位置控制系統(tǒng)合理要求為小于1%)。

    (2)加力狀態(tài)穩(wěn)態(tài)誤差比低狀態(tài)的大。以2號(hào)作動(dòng)筒為例,加力狀態(tài)穩(wěn)態(tài)誤差為0.80%~0.92%,93%高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速狀態(tài)穩(wěn)態(tài)誤差為0.09%~0.30%,原因?yàn)榧恿顟B(tài)負(fù)載過(guò)大(調(diào)節(jié)器為有差調(diào)節(jié),負(fù)載決定誤差)。

    (3)油源壓力大時(shí),穩(wěn)態(tài)誤差小。以2號(hào)作動(dòng)筒為例,在加力狀態(tài)下 當(dāng)P=10MPa時(shí),誤差為1.11%~1.38%;當(dāng)P=14MPa時(shí),誤差為0.80%~0.92%。原因?yàn)橛驮磯毫^(guò)高,調(diào)節(jié)器放大系數(shù)過(guò)大(穩(wěn)態(tài)誤差和放大系數(shù)近似成反比)。

    3.3 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能

    3.3.1 動(dòng)態(tài)性能曲線

    在93%高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速狀態(tài)和加力狀態(tài)下,矢量噴管分別上偏(α=0°)和下偏(α=180°)時(shí),獲得偏轉(zhuǎn)角(β)變化的過(guò)渡態(tài)曲線如圖4~9所示;獲得2號(hào)作動(dòng)筒位移變化的過(guò)渡態(tài)曲線如圖10~13所示。

    圖4 93%,Q=110L/min,α=0°,β:0→7°,β 的變化

    圖5 93%,Q=110L/min,α=180°,β:0→7°,β 的變化

    圖6 93%,Q=80L/min,α=0°,β:0→7°,β 的變化

    圖7 93%,Q=80L/min,α=180°,β:0→7°,β 的變化

    圖8 93%,Q=110L/min,α=0°,β:0→9°,β 的變化

    圖9 93%,Q=110L/min,α=180°,β:0→9°,β 的變化

    圖10 93%,Q=110L/min,α=0°,β:0→7°,2 號(hào)位移

    圖11 93%,Q=110L/min,α=180°,β:0→7°,2 號(hào)位移

    圖12 加力,Q=110L/min,α=180°,β:0→9°,2 號(hào)位移

    圖13 加力,Q=110L/min,α=180°,β:0→9°,β 的變化

    3.3.2 過(guò)渡時(shí)間

    在93%高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速狀態(tài)和加力狀態(tài)下,β 的過(guò)渡時(shí)間見(jiàn)表5,2號(hào)作動(dòng)筒過(guò)渡時(shí)間見(jiàn)表6。

    以下因素對(duì)過(guò)渡時(shí)間產(chǎn)生影響:

    (1)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài):加力狀態(tài)與低狀態(tài)比,負(fù)載較大,偏轉(zhuǎn)角過(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng)。

    (2)油源流量:在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下,油源流量大,作動(dòng)筒移動(dòng)快,偏轉(zhuǎn)過(guò)渡時(shí)間短。

    (3)上偏、下偏:在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)和油源流量下,向上偏轉(zhuǎn)比向下偏轉(zhuǎn)的過(guò)渡時(shí)間較短,偏轉(zhuǎn)速率大。這是由矢量作動(dòng)筒的三角對(duì)稱幾何位置決定的。向上偏轉(zhuǎn)時(shí),1號(hào)和3號(hào)推噴管環(huán)共同承擔(dān)主要負(fù)載,2號(hào)拉噴管環(huán)負(fù)載較小,動(dòng)態(tài)性能較好;向下偏轉(zhuǎn)時(shí),1號(hào)和3號(hào)共同承擔(dān)較小負(fù)載,2號(hào)承擔(dān)主要負(fù)載,βmax時(shí)負(fù)載達(dá)到最大,過(guò)渡時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),偏轉(zhuǎn)速率較小。

    表5 不同狀態(tài)下β 的過(guò)渡時(shí)間

    表6 不同狀態(tài)下2號(hào)作動(dòng)筒的過(guò)渡時(shí)間

    3.3.3 β 穩(wěn)定狀態(tài)脈動(dòng)

    從圖4~9可知,氣動(dòng)偏轉(zhuǎn)角在穩(wěn)態(tài)下脈動(dòng)較大,脈動(dòng)幅值一般為±5%;從圖10~13可知,在相同情況下,作動(dòng)筒位移十分穩(wěn)定,這說(shuō)明可排除控制因素對(duì)β 的脈動(dòng)影響。

    3.3.4 β 的速率

    按表5中過(guò)渡時(shí)間和β 的變化量計(jì)算,β 的速率為(2.3°~8.0°)/s。加力狀態(tài)的速率比93%狀態(tài)的速率?。籕=110L/min的速率比Q=80L/min的速率大;上偏時(shí)比下偏時(shí)的速率大(原因同第3.3.2節(jié)第3條)。

    4 結(jié)論

    在階躍輸入條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測(cè)試,獲得了軸對(duì)稱矢量噴管控制系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能的基本數(shù)據(jù),驗(yàn)證了軸對(duì)稱矢量噴管控制系統(tǒng)功能的有效性,得到了控制系統(tǒng)的油源壓力和流量對(duì)控制系統(tǒng)性能的綜合影響,具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。主要結(jié)論為:

    (1)在α=0°和180°、β=0°~20°,作動(dòng)筒負(fù)載力變化很大。α=180°、βmax,2號(hào)作動(dòng)筒負(fù)載力最大;α=60°、βmax,1號(hào)作動(dòng)筒負(fù)載力最大;α=-60°、βmax,3號(hào)作動(dòng)筒負(fù)載力最大;作動(dòng)筒負(fù)載力在加力狀態(tài)下比在中間狀態(tài)下的大。

    (2)在α=180°、βmax(下偏轉(zhuǎn))的氣動(dòng)偏轉(zhuǎn)角靜差(約為3.1%)比α=0°、βmax(上偏轉(zhuǎn))的氣動(dòng)偏轉(zhuǎn)角靜差(約為2.8%)大。

    (3)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差一般為0.07%~0.92%,可接受;控制系統(tǒng)油源壓力不小于14MPa時(shí),能正常拖動(dòng)負(fù)載工作。

    5 建議

    (1)上、下偏轉(zhuǎn)位置的氣動(dòng)偏轉(zhuǎn)角靜差大的問(wèn)題,建議通過(guò)變參數(shù)有差調(diào)節(jié)或無(wú)差調(diào)節(jié),適當(dāng)改變偏轉(zhuǎn)角給定值來(lái)尋求補(bǔ)償。

    (2)為保證有效矢量推力的偏轉(zhuǎn)速率,如采用恒定油源流量,建議控制系統(tǒng)油源壓力不小于14MPa;亦可采用流量控制法,通過(guò)調(diào)節(jié)油源流量來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載作動(dòng)筒,以更好地按照偏轉(zhuǎn)角要求來(lái)滿足矢量推力的偏轉(zhuǎn)速率。

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