航空發(fā)動機燃油和控制系統(tǒng)的研究進展

陶金 李丹（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110043）

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航空發(fā)動機燃油和控制系統(tǒng)的研究進展

陶金 李丹
（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110043）

【摘要】隨著我國航空航天的不斷發(fā)展，航空發(fā)動機的發(fā)展也受到專業(yè)人士的關(guān)注。航空發(fā)動機中的燃油和控制系統(tǒng)是航空發(fā)動機的核心部分，因此，它們的關(guān)注度也隨之加大，本文詳細(xì)的闡釋我國和國外軍用的航空發(fā)動機中燃油和控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及未來的發(fā)展方向，并著重對燃油控制、噴口控制、防喘控制以及FADEC等技術(shù)特點進行說明，同時提供發(fā)動機狀態(tài)的研究方向。為我國發(fā)動機行業(yè)的發(fā)展提供了理論依據(jù)，很大程度上推動了航空航天技術(shù)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】航空發(fā)動機 燃油系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 研究進展

隨著我國航空航天的不斷進步，航空發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展也不斷的提高，燃油和控制系統(tǒng)由原來的簡單系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在的復(fù)雜技術(shù)，由原來的液壓機械操作發(fā)展到現(xiàn)在由全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）進行操作。原有的軍用航空發(fā)動機中燃油和控制系統(tǒng)的特點是多變幾何控制能力，而現(xiàn)在的FADEC技術(shù)將發(fā)動機的故障診斷和監(jiān)視系統(tǒng)歸入到發(fā)動機的控制系統(tǒng)中。在航空航天發(fā)展速度較快的今天，防喘控制也受到航天專家的重視。因此，本文將對航空發(fā)動機燃油和控制系統(tǒng)的發(fā)展進行闡釋，為我國的航空航天發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 我國現(xiàn)階段航空發(fā)動機的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 燃油控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

燃油控制系統(tǒng)是航空發(fā)動機的核心控制系統(tǒng)，其主要性能直接影響整個發(fā)動機的控制系統(tǒng)，而燃油泵是燃油系統(tǒng)的重要組成部分。燃油泵包括燃油增壓泵和主燃油泵，目前全球各國研制的軍用航空發(fā)動機中的燃油增壓泵是采用離心式獨立轉(zhuǎn)動模式，其增壓能力可達到0.4-0.8MPa；而主燃油泵一般采用的是齒輪泵，主要是由于齒輪泵的體積較小、流量較大。還有一種比較合理的選擇是采用高壓柱塞泵，它既可以作為主燃油泵還可以作為噴口油泵，據(jù)調(diào)查顯示，該泵使用情況較為普遍，在英國生產(chǎn)的發(fā)動機中就采用了高壓柱塞泵作為主燃油泵，最大的出口壓力可達21 MPa，最大的流量也可達每小時10000kg，而近期俄羅斯也研發(fā)出了高壓燃油柱塞泵。而通過大量的實驗和應(yīng)用顯示，在泵油系統(tǒng)中還是應(yīng)該采用離心泵作為發(fā)動機的主燃油泵，其主要特點是制造結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)地較輕、燃油溫升較少，且質(zhì)量達到了要求。離心泵在設(shè)計上較為簡單，其控制操作也極為方便，但在小流量的啟動過程中其性能較低，因此需要再單獨配置一個啟動泵，這樣將發(fā)動機的轉(zhuǎn)數(shù)和流量變?yōu)榭烧{(diào)控的模式。

1.2 噴管控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

發(fā)動機的噴管控制系統(tǒng)在航空發(fā)動機中也占有舉足輕重的位置，對于發(fā)動機尾噴管的介質(zhì)，我國目前采用液壓油、燃油和滑油，但由于滑油和液壓油的潤滑性較好，可導(dǎo)致噴管油源泵在工作時壓力達到最高。在發(fā)動機中使用液壓油系統(tǒng)則可以無需設(shè)立獨立的油源系統(tǒng)，但在這樣共同使用液壓油源時，可對飛機的動態(tài)操作系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響，還會導(dǎo)致飛機的液壓系統(tǒng)遭到污染。有調(diào)查顯示，英國曾采用發(fā)動機尾噴管的獨立滑油系統(tǒng)，雖然對噴管的控制得到了靈敏的提升，但在油源系統(tǒng)中增加了油箱和油泵等裝置，使得控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。目前在我國的軍用發(fā)動機中，使用較多的噴管控制系統(tǒng)是以燃油為介質(zhì)，與此同時，在噴管油源泵的選擇上多以高壓柱塞泵為主。該泵的最大出口壓力可達23 MPa，最大流量可達每小時3600L。

1.3 FADEC技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

FADEC技術(shù)是新研發(fā)的全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)，其主要包括傳感器、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、微處理機以及數(shù)據(jù)的通訊。數(shù)據(jù)傳感器的使用數(shù)量在不斷的增加，致使軍用發(fā)動機電纜的質(zhì)量也有進步，在發(fā)動機的燃油和控制系統(tǒng)中，傳感器的質(zhì)量占有不可或缺的位置。我國對傳感器的研發(fā)方向是制造出光纖和智能的傳感器，這將是迎合光纖通信的最大亮點。與此同時，微電子技術(shù)也給FADEC的發(fā)展提供了電子硬件，隨著電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，微處理機也越來越受到航空專家的關(guān)注。在發(fā)動機的數(shù)據(jù)通訊過程中，通過高速的光纖數(shù)據(jù)把發(fā)動機的智能傳感器和執(zhí)行機構(gòu)有效的連接起來，取代了原有的點到點式的串行通訊方式，這樣提高了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的安全性。在發(fā)動機未來的研發(fā)過程中，要注重防喘控制等相結(jié)合的應(yīng)用，要做到同監(jiān)視系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)以及火控系統(tǒng)共同結(jié)合。FADEC技術(shù)可以實施較復(fù)雜的控制計劃，用自適應(yīng)控制系統(tǒng)進行對發(fā)動機的綜合控制。

1.4 防喘系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

防喘系統(tǒng)在軍用航空發(fā)動機中的主要作用是防止飛機飛行或發(fā)射武器時發(fā)動機出現(xiàn)喘振和熄火。美國和俄羅斯等國家在軍用發(fā)動機上都使用了防喘和消喘的控制系統(tǒng)，同樣的在我國的軍用航空發(fā)動機中也應(yīng)用了數(shù)字化的防喘控制系統(tǒng)，并取得了較大的研究進展。我國軍用發(fā)動機中防喘控制系統(tǒng)的設(shè)計理念是采用有靜壓傳感器的喘振信號器和高響應(yīng)壓力傳感器，其設(shè)計可以利用數(shù)字濾波準(zhǔn)確的判斷出喘振的征候。不同類型的發(fā)動機其采用的防喘控制系統(tǒng)也是不盡相同的。在發(fā)動機的研發(fā)過程中，進口溫度在90-100℃之內(nèi)方可保證發(fā)動機工作的穩(wěn)定性，若超過140℃時，發(fā)動機會出現(xiàn)瞬間的喘振現(xiàn)象，但發(fā)動機自身的防喘控制系統(tǒng)會將其回復(fù)到原始的穩(wěn)定狀態(tài)。

1.5 監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

在我國軍用發(fā)動機中均配置了不同模式的監(jiān)視控制系統(tǒng)，根據(jù)飛機功能的不同配置不同模式的監(jiān)視控制系統(tǒng)，有的配置專用的監(jiān)視系統(tǒng)，有的同飛行記錄系統(tǒng)相兼容。我國研制的軍用發(fā)動機中的監(jiān)視控制系統(tǒng)，為了監(jiān)視發(fā)動機在使用過程中關(guān)鍵參數(shù)的變化情況，監(jiān)視系統(tǒng)可記錄發(fā)動機的工作時間、工作溫度、渦輪葉片的使用壽命系數(shù)以及高壓轉(zhuǎn)子的主、次循環(huán)等參數(shù)。監(jiān)視系統(tǒng)在正常工作時，有兩個機構(gòu)在執(zhí)行著相應(yīng)的職責(zé)，一個機構(gòu)執(zhí)行控制系統(tǒng)，另一個機構(gòu)執(zhí)行狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，就由狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)進行對發(fā)動機的控制，在控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時間里對飛行的數(shù)據(jù)和存儲的監(jiān)視參數(shù)進行記錄，以便對監(jiān)視故障的診斷提供幫助。

2 我國未來燃油和控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

2.1 供油系統(tǒng)的加強

我國研發(fā)的軍用發(fā)動機主要是以燃油和控制系統(tǒng)為主導(dǎo)地位，采用新型的燃油泵控制系統(tǒng)同科學(xué)的電子硬件相結(jié)合，共同提高FADEC系統(tǒng)的工作性能。運用科學(xué)的控制系統(tǒng)和合理的控制算法可提高發(fā)動機的控制指令，不僅可以提高控制系統(tǒng)的使用壽命，同時還可以降低研發(fā)控制系統(tǒng)的成本。而降低供油系統(tǒng)的成本也成為學(xué)者的研究目標(biāo)，研究表明當(dāng)燃油的溫升在20-30℃之間時，供油系統(tǒng)的質(zhì)量便可減輕一半，這就大大的提高了供油系統(tǒng)的使用壽命。為了降低燃油系統(tǒng)對污染的增加，我國研制的軍用發(fā)動機多采用離心式油泵，進而取代原有的齒輪泵和柱塞泵。但離心泵在工作過程中有弊端，即在小流量時效率較低，便會造成燃油溫度的升高，因此，專家研發(fā)得出通過調(diào)節(jié)泵的工作轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)燃油泵的供油量。目前我國軍用的航空發(fā)動機的燃油系統(tǒng)是應(yīng)用電子技術(shù)進行控制，這就需要應(yīng)用高集成度和耐高溫的電子元件和器件，獨立的燃油泵轉(zhuǎn)動裝置便成了發(fā)動機自我監(jiān)視和診斷的保證。

2.2 先進技術(shù)和科技的應(yīng)用

我國軍用發(fā)動機的燃油和控制系統(tǒng)中，應(yīng)用了先進的技術(shù)和科技，采用耐高溫的半導(dǎo)體元件可耐高溫350℃、應(yīng)用最先進的高溫光電技術(shù)測量裝置、采用砷化鎵材質(zhì)作為集成電路、高速處理器可達每秒一億次以及高性能的復(fù)合材料。在軍用航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的設(shè)計上運用先進的分析和檢測軟件。在發(fā)動機研制過程中，應(yīng)加強計算機輔助的設(shè)計理念，在燃油附件中利用先進技術(shù)進行改造，從發(fā)動機的工裝設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計以及編程等發(fā)面共同發(fā)展，提高發(fā)動機的質(zhì)量，節(jié)省研制時間。要利用先進的技術(shù)積極展開對控制系統(tǒng)和綜合控制系統(tǒng)的研發(fā)工作，加強對FADEC技術(shù)的研發(fā)，利用智能傳感器、數(shù)字執(zhí)行機構(gòu)、數(shù)據(jù)通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等進行發(fā)動機的研發(fā)。

3 結(jié)語

在我國航空航天行業(yè)迅速發(fā)展的今天，軍用航空發(fā)動機燃油和控制系統(tǒng)的研究取得了較大的進步。隨著我國科研人員的不斷研究，中國航空發(fā)動機的燃油和控制系統(tǒng)也達到了較高的水平。為能研制出更高質(zhì)量的航空發(fā)動機燃油和控制系統(tǒng)，研究人員應(yīng)繼續(xù)加大對FADEC系統(tǒng)的研發(fā)工作，增加試驗的準(zhǔn)確性和應(yīng)用性，要注重軟件系統(tǒng)的編程，結(jié)合實踐中發(fā)動機的型號進行研究，加快FADEC系統(tǒng)的研發(fā)。本文通過闡釋燃油控制系統(tǒng)、噴管控制系統(tǒng)、FADEC技術(shù)系統(tǒng)、防喘系統(tǒng)以及監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，進而提出了我國要加強供油系統(tǒng)，同時采用先進技術(shù)和科技來提高我國未來燃油和控制系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展。為我國軍用航空發(fā)動機的研制提供理論依據(jù)，與此同時，也為我國的航空航天發(fā)展指明了方向。

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