航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力鎖定控制技術(shù)研究

侯玉峰，頡 龍

(1.空軍裝備部駐西安地區(qū)第九軍事代表室，西安 710077；2.空軍工程大學(xué)裝備管理與無(wú)人機(jī)工程學(xué)院，西安 710038)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是保障發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)功能、性能、可靠性的關(guān)鍵組成部分。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)早已不能滿足發(fā)展的需求[1]，如今大多采用全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)(FADEC)[2]，以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和效率。

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)配裝單發(fā)飛機(jī)，為提高其可靠性，針對(duì)控制系統(tǒng)首次提出加力鎖定功能，在配裝發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口加力調(diào)節(jié)器上增加相關(guān)功能模塊。加力鎖定[3-4]功能的目的是，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在加力狀態(tài)遭遇控制系統(tǒng)故障時(shí)，通過(guò)鎖定發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，防止飛機(jī)在起飛階段因故障退出加力狀態(tài)，致使發(fā)動(dòng)機(jī)推力不足造成事故。當(dāng)飛行員接通應(yīng)急切加力電磁閥或下拉油門(mén)桿時(shí)，按序關(guān)閉加力外涵、內(nèi)涵及起動(dòng)三區(qū)計(jì)量活門(mén)，發(fā)動(dòng)機(jī)退出加力狀態(tài)。

本文以AMESim 為仿真平臺(tái)，建立了加力鎖定控制數(shù)學(xué)模型，分析并確定了加力鎖定功能的影響因素，提出了加力鎖定控制設(shè)計(jì)方案，完成了加力鎖定功能模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了加力鎖定功能。

2 加力鎖定控制機(jī)理

航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力狀態(tài)出現(xiàn)故障時(shí)，加力鎖定功能可以使發(fā)動(dòng)機(jī)保持當(dāng)前加力供油狀態(tài)，即加力燃油計(jì)量裝置中加力三區(qū)(起動(dòng)、內(nèi)涵、外涵)計(jì)量活門(mén)保持在當(dāng)前計(jì)量位置不變(即加力燃油流量不變)。加力鎖定控制結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1。

圖1 加力鎖定控制結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the control structure of the locking afterburner

控制系統(tǒng)正常工作時(shí)(加力鎖定電磁閥通電，應(yīng)急切加力電磁閥斷電，油門(mén)桿處于加力域)，加力鎖定活門(mén)在定壓油的作用下移動(dòng)至上止動(dòng)位置，電子控制器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)輸出電信號(hào)給加力三區(qū)占空比電磁閥，然后此電磁閥改變加力起動(dòng)、內(nèi)涵、外涵計(jì)量活門(mén)控制腔壓力來(lái)調(diào)節(jié)計(jì)量活門(mén)位置(即控制加力燃油流量)，從而滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)加力三區(qū)燃油流量的需求。加力內(nèi)、外涵計(jì)量活門(mén)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 加力內(nèi)、外涵計(jì)量活門(mén)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Metering slide valve structure diagram of afterburner

電子控制器故障時(shí)，加力鎖定電磁閥斷電，加力鎖定活門(mén)在液壓力的作用下下移至加力鎖定位置封閉三區(qū)計(jì)量活門(mén)控制腔，使三區(qū)計(jì)量活門(mén)保持當(dāng)前位置，維持當(dāng)前加力供油狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)快速加力鎖定。加力鎖定活門(mén)控制結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖3。

圖3 加力鎖定活門(mén)控制結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Schematic diagram of the control structure of the locking afterburner valve

應(yīng)急切加力電磁閥通電或油門(mén)桿下拉處于非加力域時(shí)，解除加力鎖定，加力鎖定活門(mén)繼續(xù)下移至下止動(dòng)位置，并自動(dòng)按序延遲切斷加力外涵、內(nèi)涵、起動(dòng)的供油。

3 加力鎖定控制性能仿真分析與計(jì)算

3.1 仿真分析

以AMESim 為仿真平臺(tái)，建立加力鎖定控制數(shù)學(xué)模型[5](圖4)，模擬加力鎖定及應(yīng)急切加力狀態(tài)[6]。加力鎖定時(shí)，隔斷去往加力外涵、內(nèi)涵、起動(dòng)的控制燃油，保證三區(qū)計(jì)量活門(mén)位置不變。但是由于活門(mén)組件存在間隙泄漏(圖5)，且該泄漏量由加力鎖定活門(mén)間隙泄漏和加力外涵、內(nèi)涵計(jì)量活門(mén)間隙泄漏組成，泄漏量的大小決定了加力鎖定維持的時(shí)間。隨著加力鎖定活門(mén)泄漏量的不斷增加，加力鎖定功能逐漸弱化。當(dāng)泄漏量達(dá)到一定值時(shí)，加力鎖定功能失效(圖6)。由此可見(jiàn)，通過(guò)加力鎖定活門(mén)泄漏到加力內(nèi)、外涵控制腔的泄漏量對(duì)內(nèi)、外涵活門(mén)位移影響非常大，有效控制加力鎖定活門(mén)泄漏量是該套控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

圖4 加力鎖定控制數(shù)學(xué)模型Fig.4 The mathematical model of locking afterburner

圖5 加力鎖定活門(mén)間隙泄漏示意圖Fig.5 Schematic diagram of gap leakage of locking afterburner valve

圖6 加力鎖定狀態(tài)不同間隙條件下加力外涵計(jì)量活門(mén)位置仿真曲線Fig.6 The position simulation curves of the afterburner culvert metering valve under the condition of afterburner lock with different clearances

3.2 泄漏量計(jì)算

活門(mén)泄漏量計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

式中：q為容積流量，d為活門(mén)直徑，s為活門(mén)襯套間隙，Δp為壓差，v為液體運(yùn)動(dòng)黏度，ρ為液體密度，l為間隙密封長(zhǎng)度。

通過(guò)計(jì)算，加力鎖定活門(mén)間隙泄漏量為1.30 ml/s，加力內(nèi)、外涵計(jì)量活門(mén)間隙泄漏量約為0.17 ml/s。據(jù)此，在加力鎖定位置時(shí)，通過(guò)加力鎖定活門(mén)及加力內(nèi)、外涵計(jì)量活門(mén)泄漏至控制腔的泄漏量為1.47 ml/s。加力內(nèi)、外涵計(jì)量活門(mén)控制腔最大容積為15 ml，按此泄漏量計(jì)算，內(nèi)、外涵加力鎖定時(shí)間最長(zhǎng)僅能維持10 s，無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求，需要盡可能減小加力鎖定活門(mén)的泄漏量。

4 加力鎖定控制設(shè)計(jì)方案

加力鎖定活門(mén)是加力鎖定控制核心部件，完成加力鎖定功能和應(yīng)急按序切加力功能。加力鎖定活門(mén)在鎖定位置時(shí)，只有保證通往三區(qū)計(jì)量活門(mén)控制腔油路的密封性才能實(shí)現(xiàn)加力鎖定功能，而該密封性只能通過(guò)在加力鎖定活門(mén)上增加密封件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

常用的密封件材料有石墨、橡膠、尼龍、工業(yè)塑料等[7]。通過(guò)對(duì)比不同密封件的結(jié)構(gòu)、材料及其特性，加力鎖定活門(mén)密封件由O 型橡膠密封圈和塑料外套兩部分組成(圖7)[8]。圖8 示出了加力鎖定活門(mén)裝用密封件的結(jié)構(gòu)。

圖7 密封件結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of seals

圖8 加力鎖定活門(mén)裝用密封件的結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Schematic diagram of installation of seals for locking slide valves in afterburner

4.1 密封材料

由于加力鎖定活門(mén)上油路孔較多，為減小活門(mén)泄漏量，在控制腔油路兩端都設(shè)置了密封件。在活門(mén)往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，密封件必須過(guò)孔，密封件中的塑料外套應(yīng)有好的耐磨性，以保證長(zhǎng)時(shí)間的密封可靠性。目前，常規(guī)材料(如聚四氟乙烯)在高溫高壓燃油工況下，其強(qiáng)度、耐磨性與熱尺寸穩(wěn)定性等難以兼顧，無(wú)法滿足加力鎖定控制對(duì)過(guò)孔密封件的實(shí)際應(yīng)用需求。聚合物材料已逐步開(kāi)始在高性能發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵調(diào)節(jié)器上應(yīng)用，以替代傳統(tǒng)橡膠、銅合金、石墨等材料，制備高性能密封部件。利用聚合物材料的耐磨、自潤(rùn)滑及燃油潤(rùn)滑適應(yīng)性等特性[9]實(shí)現(xiàn)特定部位的使用要求，以提升產(chǎn)品服役壽命與可靠性。

選用聚四氟乙烯和均聚甲醛樹(shù)脂兩種材料進(jìn)行對(duì)比使用驗(yàn)證。兩種材料的基本參數(shù)如表1 所示。利用兩種材料的密封件進(jìn)行翻修間隔期內(nèi)的加力鎖定次數(shù)×1.5 倍(約1 000 次)的等效試驗(yàn)驗(yàn)證。聚四氟乙烯材料密封件在試驗(yàn)至50次時(shí)失效，無(wú)法保證翻修間隔期內(nèi)的加力鎖定次數(shù)；均聚甲醛樹(shù)脂能保證1 000次鎖定次數(shù)。最終選定均聚甲醛樹(shù)脂為密封件塑料外套材料。

表1 兩種材料的基本參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of the basic parameters of the two materials

4.2 加工工藝

由于密封件必須過(guò)孔，為防止襯套油路孔孔口尖邊毛刺刮傷密封件，需要對(duì)襯套油路孔孔口進(jìn)行去除毛刺處理。因油路孔直徑小(一般在φ1～φ2)，襯套內(nèi)孔小(φ10～φ15)，利用普通手工去除毛刺、光整加工去毛刺、電拋光去毛刺等加工工藝難以保證加工質(zhì)量和一致性。磨粒流[10]加工是一種比較新的加工方式，使磨粒在一定壓力下流過(guò)所需加工表面，去除零件表面毛刺、飛邊。相比其他加工工藝，采用磨粒流去除細(xì)小毛刺具有精確性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、效率高的優(yōu)點(diǎn)。在不影響活門(mén)性能的前提下，采用磨粒流去除孔口毛刺，孔口倒圓能做到R0.1～0.2且一致性良好。本文采用磨粒流去除孔口毛刺。

4.3 加力鎖定活門(mén)阻滯力

由于加力鎖定活門(mén)上增設(shè)了6 道密封件，加力鎖定活門(mén)在移動(dòng)過(guò)程中受到的阻滯力必然會(huì)增加。通過(guò)計(jì)算O 型橡膠密封圈壓縮率，對(duì)加力鎖定活門(mén)的阻滯力進(jìn)行限制，測(cè)得阻滯力在14～16 N 范圍內(nèi)。加力鎖定活門(mén)處裝用的彈簧在正常加力供油狀態(tài)時(shí)，彈簧長(zhǎng)度由42.0 mm 壓縮至33.4 mm，根據(jù)彈簧剛度5.8 N/mm，計(jì)算出彈簧力最小為50 N，遠(yuǎn)大于增加的活門(mén)阻滯力。將裝配密封件的加力鎖定活門(mén)襯套放入低溫箱，在-30℃下保持30 min 后，測(cè)得活門(mén)阻滯力在8～9 N范圍內(nèi)，活門(mén)移動(dòng)靈活。

5 加力鎖定控制試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)加力鎖定裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。圖9為加力鎖定時(shí)加力三區(qū)計(jì)量活門(mén)位置曲線?？梢钥闯觯恿︽i定工作時(shí)，加力三區(qū)能夠在當(dāng)前位置保持較長(zhǎng)時(shí)間，功能、性能滿足要求。圖10 為系統(tǒng)給出應(yīng)急切加力信號(hào)后的三區(qū)計(jì)量活門(mén)位置曲線。圖11 為隨發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)加力鎖定功能檢查情況?？梢?jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行加力鎖定功能后，加力三區(qū)計(jì)量活門(mén)位置基本維持不變。

圖9 加力鎖定加力三區(qū)計(jì)量活門(mén)位置曲線Fig.9 Three-zone metering valve position curves for locking afterburner

圖10 應(yīng)急切加力三區(qū)計(jì)量活門(mén)位置曲線Fig.10 Three-zone metering valve position curve in emergency cutting afterburner state

圖11 隨發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)加力鎖定功能檢查情況Fig.11 Check the situation of the afterburner locking function during vibration testing

為充分驗(yàn)證加力鎖定功能的可靠性，先后通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)(圖12)、高低溫試驗(yàn)(圖13)，驗(yàn)證了極端條件下加力鎖定功能的可靠性和耐久性。

圖12 振動(dòng)試驗(yàn)條件下加力鎖定狀態(tài)三區(qū)計(jì)量活門(mén)位置曲線Fig.12 Position curves of three-zone metering valve under locking afterburner condition during vibration test

圖13 不同溫度下加力鎖定狀態(tài)三區(qū)計(jì)量活門(mén)的位置曲線Fig.13 Position curves of three-zone metering valve under locking afterburner condition at different temperatures

6 結(jié)束語(yǔ)

從加力鎖定需求入手，以AMESim 為仿真平臺(tái)建立了加力鎖定控制數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了仿真分析，明確了實(shí)現(xiàn)加力鎖定功能需要解決間隙泄漏問(wèn)題，并為此制定了采用O型橡膠密封圈和均聚甲醛樹(shù)脂外套的密封件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。圍繞密封件過(guò)孔問(wèn)題，采用磨粒流去除襯套油路孔孔口尖邊毛刺，調(diào)整加力鎖定活門(mén)阻滯力，解決了可靠性問(wèn)題。完成了加力鎖定功能的研制工作，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)的功能需求。加力鎖定功能的成功，突破了測(cè)繪仿制的限制，完成了自主創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展走出了一條全新的道路。