小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制分析

范凱

（海軍裝備部，陜西 西安 710021）

飛機(jī)動(dòng)力來源是航空推進(jìn)系統(tǒng)，其會(huì)影響整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效果?？茖W(xué)發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，將能夠充分保證現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。航空發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行中，開展其建模和仿真工作，可以細(xì)致準(zhǔn)確分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)的控制規(guī)律，推進(jìn)其朝著低成本和高效率的方向發(fā)展。燃油控制是更好發(fā)揮航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用優(yōu)勢的重要手段，需要積極采用科學(xué)合理的方式，研究其控制規(guī)律，支持具體控制工作的穩(wěn)步開展。將小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)作為重要的切入點(diǎn)，深入分析發(fā)動(dòng)機(jī)的具體燃油控制規(guī)律，可以起到良好的效果。

1 小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制研究的重要性

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過數(shù)字式電子控制器良好控制發(fā)動(dòng)機(jī)的具體運(yùn)行情況，而切實(shí)有效實(shí)現(xiàn)燃油控制目標(biāo)，減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的能源損耗是其設(shè)計(jì)制造過程中的重要目標(biāo)之一，其可以降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行成本，提升總體的經(jīng)濟(jì)效益。航空發(fā)動(dòng)機(jī)保持著正常運(yùn)行狀態(tài)，其內(nèi)部的構(gòu)件會(huì)受到工作關(guān)系的限制，且飛行條件的不斷改變還會(huì)影響其實(shí)際工作狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)本身存在著較多工作限制和性能指標(biāo)，憑借其控制系統(tǒng)，針對可控變量進(jìn)行有效改變，使得發(fā)動(dòng)機(jī)朝著既定的規(guī)律變化。發(fā)動(dòng)機(jī)控制規(guī)律，主要是包含了被控參數(shù)隨飛行條件和控制參數(shù)變化規(guī)律。選擇合適的燃油控制規(guī)律，將能夠?yàn)橛行Ы档蛯?shí)際燃油量提供重要支撐，其具體規(guī)律表現(xiàn)為以供油量為可控變量，改變飛行條件和供油量，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、轉(zhuǎn)速以及狀態(tài)參數(shù)也會(huì)變化。

一般情況下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油綜合控制系統(tǒng)的運(yùn)行，需要經(jīng)歷開始研制到定型之間的多個(gè)環(huán)節(jié)，其中更是需要實(shí)施大量試驗(yàn)工作，確保系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性。但是需要注意到的是，如果直接開展聯(lián)合試車試驗(yàn)工作，不僅會(huì)耗費(fèi)大量的成本資金，還存在著較大風(fēng)險(xiǎn)，主要是表現(xiàn)在容易損壞發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的一些構(gòu)成條件。同時(shí)在這種情況下，僅僅使用純數(shù)字仿真系統(tǒng)，無法準(zhǔn)確建立出一些子系統(tǒng)、部件的數(shù)字模型，導(dǎo)致仿真難度較大，且無法保證精度。對此，可以積極使用半物理仿真模型方式進(jìn)行模擬和檢測，主要是將一些實(shí)物引入仿真回路中，其他部分將會(huì)通過數(shù)學(xué)模型的方式加以描述，構(gòu)建模擬試驗(yàn)平臺(tái)，促進(jìn)實(shí)物系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)的良性互動(dòng)。這種試驗(yàn)方式和實(shí)物存在著較大相似性，真實(shí)性較高，同時(shí)還擁有著模擬試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，降低風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率。

2 小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)仿真試驗(yàn)

實(shí)際開展仿真試驗(yàn)活動(dòng)的過程中，以某小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的全權(quán)限雙余度數(shù)字電子控制系統(tǒng)為研究對象，充分發(fā)揮真422 總線技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢和作用，充分連接數(shù)字模型（計(jì)算機(jī)運(yùn)行中用于辨識作用）、燃油調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及數(shù)字式電子控制器方面，將燃油供油溫度、壓力、燃燒室反壓方面的影響充分考量，真實(shí)模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)，從而構(gòu)建起科學(xué)有效的小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃油綜合控制半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，為積極探索發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油規(guī)律提供支持。

2.1 系統(tǒng)原理及組成部分

小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)于燃油孔輝半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，涉及的組成構(gòu)件較多，如燃油供給系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速伺服及滑油系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型、電氣系統(tǒng)、測控系統(tǒng)以及真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)部件。小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，基本硬件條件是小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)系統(tǒng)，包含電氣系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)等，而整個(gè)測控系統(tǒng)充分集合了傳感器信號，自動(dòng)控制好試驗(yàn)臺(tái)，推進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2 試驗(yàn)環(huán)節(jié)

（1）充分準(zhǔn)備各項(xiàng)試驗(yàn)流程，實(shí)施具體試驗(yàn)活動(dòng)。為有效推進(jìn)小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)半物理仿真試驗(yàn)活動(dòng)的有效開展，強(qiáng)化其安全性和準(zhǔn)確性，需要做好準(zhǔn)備性試驗(yàn)工作。

首先，需要有效開展小閉環(huán)試驗(yàn)工作。這一階段需要調(diào)試燃油泵調(diào)節(jié)器，通過閉環(huán)控制手段檢測電子控制器供油量情況，針對各項(xiàng)采集參數(shù)進(jìn)行匹配調(diào)試工作，同時(shí)，還要準(zhǔn)確調(diào)試小閉環(huán)控制參數(shù)。具體測試工作進(jìn)行中，需要試驗(yàn)好計(jì)量活門速率特性、計(jì)量活門LVDT 標(biāo)定情況，這部分測驗(yàn)工作是這一階段試驗(yàn)環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容，其主要是為了針對小閉環(huán)PID 控制參數(shù)進(jìn)行科學(xué)調(diào)節(jié)，有效控制好計(jì)量活門的動(dòng)態(tài)控制精度指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)控制精度情況。

其次，實(shí)施準(zhǔn)半物理試驗(yàn)工作。一方面是針對真實(shí)供油量加入之后控制回路的實(shí)際運(yùn)行效果加以檢測，這個(gè)環(huán)節(jié)中從電子控制器采集、調(diào)理計(jì)量活門開度值情況入手，明確供油量的輸入?yún)?shù)情況。試驗(yàn)環(huán)節(jié)中由人工設(shè)定好燃油泵調(diào)節(jié)器的實(shí)際轉(zhuǎn)速，充分保證試驗(yàn)環(huán)節(jié)的安全性和穩(wěn)定性。另一方面需要匹配流量計(jì)和模型，準(zhǔn)確驗(yàn)證好模型的實(shí)際情況，通過真實(shí)供油量開展仿真活動(dòng)，檢測出數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果。

具體實(shí)施小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)半物理仿真試驗(yàn)工作的過程中，需要準(zhǔn)確模擬出試驗(yàn)的啟動(dòng)過程和穩(wěn)態(tài)過程，即為模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的真實(shí)工作狀態(tài)，測試其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)運(yùn)行性能。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，燃油泵調(diào)節(jié)器的泵轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生一定的變化。這一試驗(yàn)的應(yīng)用，將小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行充分展現(xiàn)，包含啟動(dòng)環(huán)節(jié)、靜態(tài)運(yùn)行環(huán)節(jié)、停車動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)以及加減速環(huán)節(jié)等特性情況，能夠有效明確發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油規(guī)律。

（2）試驗(yàn)結(jié)論。半物理仿真試驗(yàn)的燃油系統(tǒng)，將小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中燃油活動(dòng)狀況進(jìn)行良好模擬，包含燃油供油溫度、燃燒室反壓、壓力調(diào)節(jié)以及實(shí)際飛行過程中可能的高低溫、正負(fù)壓環(huán)境。為更好發(fā)揮這一試驗(yàn)的作用，可以充分考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型考量方面的影響因素，或者引進(jìn)一些更高精度的插值方法，提升整個(gè)模型的精度，確保試驗(yàn)活動(dòng)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

3 小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃油規(guī)律

3.1 穩(wěn)態(tài)燃油規(guī)律

將航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定在同等的飛行條件下，按照不同供油量情況，實(shí)施穩(wěn)態(tài)仿真活動(dòng)，明確穩(wěn)態(tài)工作中的方程組，由此可以得到其在不同設(shè)計(jì)條件、油門桿位置不同情況下的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)。針對發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)運(yùn)行參數(shù)就進(jìn)行研究和分析，主要是針對供油量、轉(zhuǎn)速（低壓和高壓）、增壓比（風(fēng)扇和氣壓機(jī)）、落壓比（高壓渦輪、低壓渦輪）、涵道比和總推力方面，為直觀準(zhǔn)確地觀察數(shù)據(jù)模型的實(shí)際情況，可以將各項(xiàng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖比較，可以發(fā)現(xiàn)小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)增加供油量時(shí)，推力也會(huì)保持著類似線性增長的狀態(tài)；高壓和低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有所增加；風(fēng)扇和壓氣機(jī)的增壓比有所上升；高壓渦輪和低壓渦輪落壓比上升；而涵道比會(huì)持續(xù)下降。在小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)模型仿真的作用下，其結(jié)果數(shù)據(jù)和實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)論存在著較小誤差，說明這一模型良好適應(yīng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油試驗(yàn)工作。

3.2 動(dòng)態(tài)控制規(guī)律

當(dāng)小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)保持著加速狀態(tài)時(shí)，開展仿真計(jì)算工作，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)較為準(zhǔn)確的運(yùn)行數(shù)據(jù)，為充分明確發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油情況提供支持。仿真計(jì)算前，需要針對發(fā)動(dòng)機(jī)的初始工作狀態(tài)、供油量的變化規(guī)律加以設(shè)定，提升計(jì)算的準(zhǔn)確性。本質(zhì)上來看，動(dòng)態(tài)仿真和穩(wěn)態(tài)仿真方面存在著較高的相似性，盡管小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)處在動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)中，其內(nèi)部的各個(gè)構(gòu)件還需要遵循著平衡關(guān)系。實(shí)施動(dòng)態(tài)仿真工作的過程中，著重關(guān)注到了發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際加速狀態(tài)，將這一過程看作是多個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)所組成的加速線。通常情況下，動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)之中，高壓軸和低壓軸之間的功率無法保持著平衡狀態(tài)，其運(yùn)行過程中的剩余功率，將會(huì)加速轉(zhuǎn)子的速率。在動(dòng)態(tài)加速過程中，小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持著持續(xù)增加的狀態(tài)，但其具體增加趨勢是和供油量變化相一致的；涵道比有所降低；小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的增壓比和落壓比都會(huì)不斷增加，在接近于臨界值的時(shí)候，速度會(huì)逐漸減低。

5 結(jié)語

將小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)方面的重要研究切入點(diǎn)，具有良好的可行性，科學(xué)利用小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)半物理仿真試驗(yàn)工作，可以較為細(xì)致地明確其運(yùn)行狀態(tài)。充分研究小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油控制規(guī)律，將能夠有效控制好發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際燃油量。