渦槳?jiǎng)恿ρb置控制構(gòu)型淺析

化東勝 楊振杰 劉振

摘要： 渦槳飛機(jī)動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)通常包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、螺旋槳控制系統(tǒng)及機(jī)上相關(guān)設(shè)備。傳統(tǒng)控制構(gòu)型采用功率桿控制發(fā)動(dòng)機(jī)功率，狀態(tài)桿控制螺旋槳轉(zhuǎn)速/槳距。近年來出現(xiàn)了功率桿集成控制發(fā)動(dòng)機(jī)功率和螺旋槳轉(zhuǎn)速/槳距的設(shè)計(jì)構(gòu)型。單桿控制構(gòu)型具有操縱簡單，重量輕，設(shè)備安裝空間小等優(yōu)點(diǎn)。本文提供了典型雙發(fā)渦槳飛機(jī)動(dòng)力裝置控制系構(gòu)型及其特點(diǎn)分析，旨在為渦槳?jiǎng)恿ρb置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

Abstract： Turboprop aircraft powerplant control system generally consists of engine control system， propeller control system and the related airborne equipment. The power lever shall control engine power and the condition lever shall control propeller speed/pitch in traditional control configuration. New design configuration appears in recent years which a single lever controls both engine power and propeller speed/pitch. The single lever configuration is more easily handled， with less weight and smaller installation space. This article provides typical powerplant control system configurations in dual engine Turboprop aircraft with the analysis of the different configurations′ characteristics， and intents to provide turboprop powerplant control system references.

關(guān)鍵詞： 渦槳?jiǎng)恿ρb置;發(fā)動(dòng)機(jī)功率控制;螺旋槳轉(zhuǎn)速/槳距控制;功率桿;狀態(tài)桿

Key words： turboprop powerplant;engine power control;propeller speed/pitch control;power lever angle;condition lever angle

中圖分類號：V232 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0037-03

0 ?引言

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)飛行速度低于小于800km/h時(shí)，其推進(jìn)效率要高于渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，因此在速度要求相對較低的運(yùn)輸機(jī)領(lǐng)域仍然有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前服役的渦槳飛機(jī)有軍用的A400M、C-130等，民用支線客機(jī)MA60/600、Q400和ATR系列飛機(jī)等。

從上世紀(jì)70年代波音飛機(jī)采用電傳飛行控制開始，電傳控制系統(tǒng)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用得到了長足的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳的機(jī)械式控制方式逐漸被電傳控制方式所取代，電傳控制的普及為渦槳?jiǎng)恿ρb置控制系統(tǒng)的“單桿控制”設(shè)計(jì)構(gòu)型提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本文研究的渦槳?jiǎng)恿ρb置控制系統(tǒng)的構(gòu)型都是基于電傳控制方式。

常規(guī)的渦槳飛機(jī)動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)采用“雙桿控制”構(gòu)型，功率桿控制發(fā)動(dòng)機(jī)功率，狀態(tài)桿控制螺旋槳轉(zhuǎn)速和槳距，即“雙桿控制”構(gòu)型，如Q400飛機(jī)。隨著電子軟硬件集成技術(shù)的不斷成熟，近些年出現(xiàn)了功率桿集成控制發(fā)動(dòng)機(jī)功率和螺旋槳轉(zhuǎn)速/槳距的設(shè)計(jì)構(gòu)型，即“單桿控制”構(gòu)型，如A400M飛機(jī)、國內(nèi)在研的新舟700飛機(jī)等。本文提供了渦槳飛機(jī)動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)的雙桿控制和單桿控制的典型設(shè)計(jì)案例，并對兩種控制構(gòu)型的特點(diǎn)進(jìn)行了淺析。

1 ?雙桿控制設(shè)計(jì)構(gòu)型

渦槳?jiǎng)恿ρb置雙桿控制構(gòu)型的油門臺上設(shè)置有功率桿和狀態(tài)桿，圖1為典型的雙發(fā)渦槳飛機(jī)的油門臺布局示意圖：左側(cè)為功率控制桿，設(shè)置有左、右發(fā)動(dòng)機(jī)功率桿，分別用于向左、右發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（如Full Authority Digital Engine Control，F(xiàn)ADEC等）提供功率桿角度（PLA）信號，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的功率;右側(cè)為狀態(tài)控制桿，設(shè)置有左、右螺旋槳狀態(tài)桿，分別用于向左、右螺旋槳控制器（如Propeller Electric Controller，PEC等）提供狀態(tài)桿桿角度（CLA）信號，控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速和槳距。

功率桿的各位置標(biāo)識為：MAX. REV-最大反槳，GI-地面慢車，F(xiàn)I-飛行慢車，RATING/額定位，EMER-應(yīng)急功率。狀態(tài)桿的各位置標(biāo)識為：FUEL OFF-燃油切斷，START/FTHR-起動(dòng)順槳，850-螺旋槳850RPM轉(zhuǎn)速，900-螺旋槳900RPM轉(zhuǎn)速，1020-螺旋槳1020RPM轉(zhuǎn)速。

動(dòng)力裝置雙桿控制構(gòu)型的工作原理如圖2所示，機(jī)組操縱功率桿，功率桿的RVDT向發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC提供PLA信號，F(xiàn)ADEC根據(jù)PLA和飛機(jī)狀態(tài)信息（通常包括飛機(jī)空速、高度、發(fā)動(dòng)機(jī)引氣等）控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。機(jī)組操縱狀態(tài)桿，狀態(tài)桿的RVDT向螺旋槳電子控制器（PEC）提供CLA信號，PEC根據(jù)CLA信號和飛機(jī)狀態(tài)信息控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速和槳距。

以圖1的布局為例，雙桿控制構(gòu)型需要組合操縱功率桿和狀態(tài)桿來改變對發(fā)動(dòng)機(jī)功率和螺旋槳轉(zhuǎn)速/槳距的控制，以滿足飛機(jī)在不同狀態(tài)下的拉力需求，具體操縱建議如表1所示。

除表1提及的典型使用場景外，機(jī)組根據(jù)飛機(jī)飛行的速度/高度要求，在FI～RATING之間操縱功率桿（狀態(tài)桿通常保持在850）。

2 ?單桿控制設(shè)計(jì)構(gòu)型

渦槳?jiǎng)恿ρb置系統(tǒng)單桿控制構(gòu)型取消了狀態(tài)桿，功率桿集成控制發(fā)動(dòng)機(jī)功率和螺旋槳轉(zhuǎn)速/槳距。圖3為典型的雙發(fā)渦槳飛機(jī)單桿控制構(gòu)型的油門臺布局，油門臺設(shè)置有左、右功率桿，功率桿的RVDT分別向左、右發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC提供PLA信號。

功率桿的各位置標(biāo)識為：MAX. REV-最大反槳，GI-地面慢車，F(xiàn)I-飛行慢車，MCL/爬升功率，NTO/正常起飛功率，MTO/最大起飛功率。

動(dòng)力裝置單桿控制構(gòu)型的工作原理如圖4所示，機(jī)組操縱功率桿向FADEC提供PLA信號，F(xiàn)ADEC根據(jù)PLA和飛機(jī)狀態(tài)信息控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，并向PEC提供螺旋槳的轉(zhuǎn)速和槳距控制指令（類似模擬的CLA信號）。PEC根據(jù)FADEC的指令控制螺旋槳速度/槳距。單桿控制構(gòu)型需要設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)正常停車和螺旋槳正常順槳開關(guān)支持實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常停車功能和螺旋槳的正常順槳功能。

以圖3的布局為例，單桿控制構(gòu)型操縱功率桿來改變發(fā)動(dòng)機(jī)功率和螺旋槳轉(zhuǎn)速/槳距，以滿足飛機(jī)在不同狀態(tài)下的拉力需求，具體操縱建議如表2所示。

除表2提及的典型使用場景外，巡航狀態(tài)下，機(jī)組根據(jù)飛機(jī)飛行的速度/高度要求，在FI～MCL之間操縱功率桿。

3 ?控制構(gòu)型淺析

根據(jù)上文對典型雙發(fā)渦槳飛機(jī)動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)型的介紹，本章節(jié)對兩種控制構(gòu)型的特點(diǎn)進(jìn)行了對比分析。

3.1 機(jī)組操縱

為了滿足飛機(jī)不同飛行狀態(tài)下的拉力需求，上文表1和表2分別列出了渦槳?jiǎng)恿ρb置不同控制構(gòu)型的操縱方式：雙桿控制構(gòu)型需要組合操縱功率桿和狀態(tài)桿，功率桿和狀態(tài)桿的組合使用場景較多;單桿控制構(gòu)型只需要操縱功率桿，外界環(huán)境確定的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率和螺旋槳轉(zhuǎn)速僅受功率桿控制。

對比兩種控制構(gòu)型的操縱方式可知，單桿控制構(gòu)型對機(jī)組的操縱要求更低，利于減輕機(jī)組的工作負(fù)荷。此外，現(xiàn)代飛機(jī)多配置有自動(dòng)油門控制系統(tǒng)，單桿控制構(gòu)型的控制方式更簡單，利于支持飛機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)油門控制功能。

3.2 重量

雙桿控制構(gòu)型有功率控制桿和狀態(tài)控制桿，功率桿和發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC連接，狀態(tài)桿與螺旋槳PEC連接，布置在駕駛艙的油門臺到發(fā)動(dòng)機(jī)短艙（通常布置在機(jī)翼下方）之間的線纜較長;單桿控制構(gòu)型功率桿和發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC連接，F(xiàn)ADEC和PEC之間通訊可以借用已有的總線通道，通常無需額外的線纜連接。

以國產(chǎn)某型雙發(fā)渦槳新舟飛機(jī)的動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)的權(quán)衡研究為例，雙桿控制構(gòu)型的功率桿與FADEC交聯(lián)、狀態(tài)桿與PEC交聯(lián)，控制系統(tǒng)采用雙裕度設(shè)計(jì)，單側(cè)油門臺與FADEC和PEC的交聯(lián)關(guān)系如圖5所示;單桿控制構(gòu)型的功率桿與FADEC交聯(lián)、FADEC與PEC使用RS422總線進(jìn)行通訊，控制系統(tǒng)采用雙裕度設(shè)計(jì)，單側(cè)油門臺與FADEC的交聯(lián)關(guān)系如圖6所示。

線纜以M27500-22SM1N23單芯屏蔽線為計(jì)算基準(zhǔn)（取12.5kg/km），油門臺與短艙之間的距離按照23.6m計(jì)算;從評估數(shù)據(jù)可以看出，該新舟飛機(jī)動(dòng)力裝置采用單桿控制構(gòu)型的重量比雙桿控制構(gòu)型輕6.44kg，重量優(yōu)勢非常明顯。

3.3 適航影響

中國民航對發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳的操縱器件的條款規(guī)定為CCAR25.1149條，具體內(nèi)容如下：

第25.1149條螺旋槳轉(zhuǎn)速和槳距的操縱器件

（a）每一螺旋槳必須有單獨(dú)的螺旋槳轉(zhuǎn)速和槳距的操縱器件。

（b）操縱器件必須成組排列并滿足下列要求：

（1）能單獨(dú)操縱每一螺旋槳;

（2）能同時(shí)操縱所有的螺旋槳。

（c）操縱器件必須能使所有螺旋槳同步。

（d）螺旋槳轉(zhuǎn)速和槳距的操縱器件必須設(shè)在駕駛員油門操縱器件的右面，至少比其低25毫米（1英寸）。

根據(jù)前文的介紹，本文介紹的渦槳?jiǎng)恿ρb置的雙桿控制構(gòu)型和單桿控制構(gòu)型均能滿足CCAR25.1149（a）、（b）（c）條款的要求。雙桿控制構(gòu)型能夠滿足CCAR25.1149（d）條款的要求，單桿控制構(gòu)型因沒有設(shè)置狀態(tài)桿，從文字上不能夠滿足CCAR25.1149（d）條款要求。

為了表明單桿控制構(gòu)型對CCAR25.1149（d）條款的適航符合性，需編制適航等效安全或申請CCAR25.1149（d）的豁免來實(shí)現(xiàn)對CCAR25.1149條款的適航認(rèn)證。

4 ?結(jié)束語

渦槳飛機(jī)動(dòng)力裝置的單桿控制構(gòu)型相較于雙桿控制構(gòu)型，具有操縱更簡單、重量更輕、駕駛艙布置空間更小、更利于支持飛機(jī)自動(dòng)油門控制功能等優(yōu)點(diǎn)。單桿控制構(gòu)型對控制系統(tǒng)的軟硬件集成研制、系統(tǒng)的適航等工作的要求更高。綜合評估，渦槳?jiǎng)恿ρb置系統(tǒng)單桿控制構(gòu)型更具優(yōu)勢，將是未來渦槳?jiǎng)恿ρb置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選構(gòu)型。

參考文獻(xiàn)：

[1]廉筱純，吳虎.航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[2]時(shí)瑞軍，周劍波，黃波，皮星.渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)演變及趨勢[J].航空動(dòng)力，2019（4）.

[3]陳懷榮，王曦.國外渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016年12月.