某型發(fā)動機噴口臨界界面面積控制系統(tǒng)故障模式研究

■ 吳騰飛 韓振超 王謙 張國紅 唐建根 彭文杰/

1成都航利（集團）實業(yè)有限公司 2空裝成都局某軍事代表室

0 引言

某型航空發(fā)動機為軍用雙轉(zhuǎn)子加力渦輪風扇發(fā)動機，尾噴管采用超聲速收擴噴管。噴管的臨界界面面積決定于發(fā)動機工作狀態(tài)的變化，由噴口控制系統(tǒng)全狀態(tài)自動調(diào)節(jié)發(fā)動機不同工作狀態(tài)下的噴口位置。該型航空發(fā)動機噴口控制系統(tǒng)采用的是帶液壓機械備份的全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)，涉及輸入輸出參數(shù)多，包含電子電器元件、液壓執(zhí)行元件，噴口過程控制復(fù)雜，發(fā)動機使用過程中噴口控制系統(tǒng)故障頻發(fā)。噴口控制異常將導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降、推力不穩(wěn)定，影響飛行安全。

1 噴口臨界界面面積控制原理

數(shù)控系統(tǒng)正常工作時，由全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)完成噴口臨界界面面積控制（見圖1）；數(shù)控系統(tǒng)故障時，由液壓機械備份控制系統(tǒng)完成噴口臨界界面面積控制（見圖2）。

圖1 噴口數(shù)控狀態(tài)控制邏輯圖

圖2 噴口備份狀態(tài)控制原理圖

1.1 數(shù)控狀態(tài)控制原理

中間狀態(tài)以下狀態(tài)的噴口控制采用開環(huán)加增穩(wěn)的控制方式，由N1和T1按照調(diào)節(jié)計劃計算出Lndem，通過“開環(huán)/閉環(huán)模式選擇”模塊提供給控制器PID控制算法?？刂破鞲鶕?jù)當前的Lndem輸入計算出所需的PWM，通過驅(qū)動電路提供給高速電磁閥來控制分油活門，通過分油活門的放大驅(qū)動作用控制噴口作動筒，從而達到控制噴口面積的目的。

中間及以上狀態(tài)的噴口控制按πT＝f(T1)的規(guī)律進行閉環(huán)控制。由T1按照此規(guī)律得到ΔπT，提供給PID控制算法得出Lndem，同時T1和限速后的PLA經(jīng)A8前饋放大K倍后得出ΔLndem，二者相加后提供給Ln小閉環(huán)內(nèi)的PID控制算法。控制器根據(jù)當前的Lndem輸入計算出所需的PWM并通過驅(qū)動電路提供給高速電磁閥，通過它來控制分油活門，從而改變有桿腔和無桿腔的壓力，使得噴口動作。為防止發(fā)動機喘振，加力狀態(tài)噴口面積最小值不會小于前饋線。

1.2 備份狀態(tài)控制原理

轉(zhuǎn)為機械液壓備份控制時，電調(diào)/備份活門壓力油供向轉(zhuǎn)換活門，噴口控制電磁閥斷電，關(guān)閉該控制油路，分油活門控制腔壓力由定ΠT調(diào)節(jié)器的噴嘴擋板活門控制，可實現(xiàn)噴口控制的平穩(wěn)過渡。

當油門桿位置大于62°時，油門桿上的開關(guān)關(guān)閉了慢車活門下端彈簧腔回油路，慢車活門在油壓力和彈簧力的作用下向上移動，切斷了定壓油通往關(guān)斷活門的油路，節(jié)流狀態(tài)噴口控制活門退出工作，由落壓比控制器按P31、P6和T1變化控制噴口面積。

當從最大狀態(tài)收油門，油門桿角度小于60°時，油門上的開關(guān)打開慢車活門下端彈簧腔的回油路，慢車活門向下端移動，打開定壓油通往關(guān)斷活門右腔的油路，關(guān)斷活門左移使擋板活門開度減小，慢車活門下移，噴口面積關(guān)小為小噴口。

由于備份狀態(tài)無著陸收噴口功能，備份狀態(tài)下油門桿角度小于60°時均為小噴口，停車過程中放為大噴口。

2 噴口臨界界面面積控制系統(tǒng)組成

噴口臨界界面面積控制系統(tǒng)主要由用于狀態(tài)控制與監(jiān)控的數(shù)字電子控制器、用于執(zhí)行與備份控制的噴口加力調(diào)節(jié)器和用于參數(shù)測量的噴口角位移傳感器組成，如圖3所示。

圖3 噴口控制系統(tǒng)組成

2.1 數(shù)字電子控制器

1）工作原理

數(shù)字電子控制器采用硬件相似雙余度設(shè)計技術(shù)，由兩個完全相同的獨立數(shù)控通道組成。每個通道均包含輸入模塊、控制模塊、輸出模塊、總線接口模塊和電源模塊。兩個通道還共用一個故障切換模塊。

雙余度數(shù)字電子控制器采用一個通道主控、另一個通道處于熱備份狀態(tài)，即同時處在執(zhí)行同一個任務(wù)的熱運行當中的工作方式。這兩個通道通過數(shù)據(jù)接口相互交換信息。傳感器輸入信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，由CPU通過軟件進行輸入信息的余度管理，取表決值進行控制律計算。將計算結(jié)果通過高速數(shù)據(jù)通信進行通道之間的交叉數(shù)據(jù)傳輸，由軟件進行輸出信息的余度管理。取表決值作為控制指令輸出給執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)發(fā)動機噴口臨界界面面積的控制。

故障切換模塊用于實現(xiàn)通道/余度計算機之間故障的指示及故障切換。當任一通道中的任一模塊出現(xiàn)故障時，能無擾動地切換到與之相對應(yīng)的另一熱備份模塊代替工作，重構(gòu)系統(tǒng)。當兩個同種功能的模塊均出現(xiàn)故障時，數(shù)字電子控制器退出工作，系統(tǒng)切換到液壓機械備份調(diào)節(jié)器工作。雙通道均正常時按輪轉(zhuǎn)方式主控（見圖4）。

圖4 雙通道數(shù)字式電子控制器原理圖

2）相關(guān)控制參數(shù)

噴口臨界界面面積的控制涉及的參數(shù)主要有：測量的T1、N1、N2、PLA、P31、P6、PWMLn作為控制器形成目標值的輸入；測量的D8、Ln作為實際輸出值的反饋。具體參數(shù)特性見表1。

表1 相關(guān)參數(shù)

2.2 噴口加力調(diào)節(jié)器

1）噴口高速電磁閥

數(shù)字電子控制器根據(jù)位移給定和位移反饋的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出占空比信號，控制高速電磁閥的回油流量，實現(xiàn)對噴口控制機構(gòu)分流活門的控制。系統(tǒng)平衡狀態(tài)時占空比值為某一固定值，該值被稱為平衡占空比，通常為50%±8%。在控制器PI固定的情況下，進出口油嘴、高速電磁閥之間需要具有一定的匹配關(guān)系，才能保證控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

2）噴口控制活門組件

噴口控制活門組件的功能是按發(fā)動機不同狀態(tài)的控制規(guī)律，通過上腔燃油壓力的變化，調(diào)節(jié)噴口控制活門組件的相對位置，依據(jù)輸入的活門相對襯套的位移量將噴口油源泵后壓力分配輸出到噴口作動筒的兩腔，改變進入液壓作動筒有桿腔和無桿腔的燃油流量，實現(xiàn)噴口臨界界面面積的控制。噴口控制活門組件屬于控制執(zhí)行組件，在數(shù)控與備份控制時均進行工作。

2.3 噴口角位移傳感器

噴口角位移傳感器安裝在發(fā)動機噴口反饋系統(tǒng)中，與數(shù)字電子控制器中的噴口直徑測量電路完成噴口直徑D8的測量，角度測量范圍為±40°。

3 故障模式分析與故障排查流程圖

通過對噴口臨界界面面積控制原理和組成的分析，建立噴口控制異常故障樹（見圖5），梳理各故障對應(yīng)的部附件及部附件可能存在的故障，再根據(jù)故障模式分析結(jié)果制訂排故流程圖，如圖6～圖9所示。

圖5 噴口臨界界面面積控制異常分析故障樹

圖6 噴口調(diào)節(jié)通道故障排除程序

圖7 pit擺動故障排除程序

圖8 噴口控制擺動故障排除程序

圖9 備份噴口控制異常故障排除程序

4 結(jié)束語

本文通過系統(tǒng)分析某型發(fā)動機噴口控制系統(tǒng)各功能模塊的工作原理以及控制特性，為發(fā)動機出現(xiàn)噴口臨界界面面積控制異常故障時的排除方法與故障定位提供了可借鑒的思路及方法，有利于發(fā)動機的使用及維護，可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟與軍事效益。