某型離心傳感器對發(fā)動機放氣帶工作穩(wěn)定性影響分析

李 揚,黃亞文,張一航

(中國航發(fā)西安航空動力控制有限公司 設(shè)計研究所,西安 710077)

0 引言

某型離心傳感器是控制渦輪噴氣發(fā)動機放氣機構(gòu)開、關(guān)的部件之一,該發(fā)動機在外廠(場)地面試車或飛行過程中,頻繁發(fā)生放氣帶信號燈閃亮、放氣帶打開轉(zhuǎn)速漂移等故障,檢查發(fā)現(xiàn)離心傳感器是導(dǎo)致上述故障誘因之一[1-2]。放氣帶工作嚴重不穩(wěn)定時可能導(dǎo)致發(fā)動機喘振[3],影響飛行安全[4],因此研究離心傳感器對發(fā)動機放氣帶工作穩(wěn)定性的影響具有重要意義。

本文根據(jù)某型離心傳感器工作原理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu),從傳動鏈動態(tài)特性和內(nèi)部流場方面進行分析,研究該離心傳感器對發(fā)動機放氣帶工作穩(wěn)定性的影響,為后續(xù)的相關(guān)技術(shù)攻關(guān)提供理論支撐。

1 離心傳感器工作原理

某型離心傳感器是渦輪噴氣發(fā)動機放氣機構(gòu)組成部件之一,其功用是感受發(fā)動機轉(zhuǎn)速,控制放氣機構(gòu)電磁活門電路的接通與斷開,從而控制發(fā)動機放氣帶的關(guān)閉和打開。放氣機構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 放氣機構(gòu)示意圖

1.1 結(jié)構(gòu)原理

離心傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。某型離心傳感器由殼體、上蓋、離心飛重、分油活門、傳動軸、彈簧、調(diào)整螺釘、薄膜、薄膜頂桿、插座和微動開關(guān)等組成,微動開關(guān)與插座間由導(dǎo)線連接,插座與發(fā)動機電插頭連接。分油活門在離心飛重和彈簧力的作用下軸向移動,控制薄膜滑油腔油路通斷,最終控制微動開關(guān)的通斷,實現(xiàn)對放氣帶開關(guān)的控制,其傳動鏈輸入軸與軸套截面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 離心傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 傳動鏈輸入軸與軸套截面結(jié)構(gòu)

1.2 工作機理

1.2.1 放氣帶關(guān)閉機理

推油門放氣帶關(guān)閉機理如圖4所示。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于3 800+50r·min-1時,彈簧壓緊力小于離心飛重產(chǎn)生的離心力,分油活門上移,發(fā)動機滑油系統(tǒng)通向離心傳感器薄膜腔的滑油通路連通,此時轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)薄膜頂桿在0.44 MPa滑油壓力作用下與轉(zhuǎn)換裝置殼體面止靠,薄膜頂桿推動微動開關(guān)按鈕,接通放氣機構(gòu)電磁活門電路,放氣帶關(guān)閉。

圖4 推油門放氣帶關(guān)閉機理

1.2.2 放氣帶打開機理

收油門放氣帶打開機理如圖5所示。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于3 800+50r·min-1時,彈簧壓緊力大于離心飛重產(chǎn)生的離心力,分油活門下移,發(fā)動機滑油系統(tǒng)通向離心傳感器薄膜腔的滑油通路被分油活門的分油凸邊堵住,此時轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)薄膜頂桿在彈簧力作用下恢復(fù)初始位置,微動開關(guān)的按鈕斷開放氣機構(gòu)電磁活門電路,放氣帶打開。

圖5 收油門放氣帶打開機理

2 傳動鏈影響分析

某型離心傳感器輸入軸與傳動軸的軸套存在間隙,通過RecurDyn多體動力學(xué)仿真[5-8],分析不同的輸入軸與軸套間隙對離心傳感器傳動軸轉(zhuǎn)速的影響。離心傳感器輸入軸與軸套配合尺寸如下:

輸入軸和軸套間隙(雙邊):0.410～0.570 mm。

2.1 建模仿真

使用RecurDyn軟件對離心傳感器進行多體動力學(xué)仿真,假設(shè):

(1)輸入軸與軸套配合部位均為方形;

(2)各運動件間無摩擦。

輸入轉(zhuǎn)速曲線如圖6所示。

圖6 輸入轉(zhuǎn)速曲線

轉(zhuǎn)軸間隙為0.205 mm時輸入軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速差曲線如圖7所示,轉(zhuǎn)軸間隙為0.285 mm時輸入軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速差曲線如圖8所示:

圖7 轉(zhuǎn)軸間隙為0.205 mm時輸入軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速差曲線

圖8 轉(zhuǎn)軸間隙為0.285 mm時輸入軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速差曲線

(1)當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)速的變化速率發(fā)生波動時,離心傳感器輸入軸轉(zhuǎn)速與傳動軸轉(zhuǎn)速產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差。

(2)當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)速較小發(fā)生突變時,轉(zhuǎn)速差幅值較小;當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速較大發(fā)生突變時,轉(zhuǎn)速差幅值較大。

(3)離心傳感器輸入軸與軸套的單邊間隙為0.205 mm時,起動最大轉(zhuǎn)速差為-196 r·min-1,額定轉(zhuǎn)速下的最大轉(zhuǎn)速差為68 r·min-1;離心傳感器輸入軸與軸套的單邊間隙為0.285 mm時,起動最大轉(zhuǎn)速差為-224 r·min-1,額定轉(zhuǎn)速下的最大轉(zhuǎn)速差為82 r·min-1。兩種轉(zhuǎn)軸間隙下轉(zhuǎn)速差仿真結(jié)果對比如圖9所示。

圖9 兩種轉(zhuǎn)軸間隙下轉(zhuǎn)速差仿真結(jié)果對比

(4)離心傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定時,輸入軸與軸套的接觸關(guān)系如圖10所示。

圖10 輸入軸與軸套的接觸關(guān)系

2.2 仿真結(jié)果分析

當(dāng)轉(zhuǎn)速變化速率發(fā)生突變時,才會產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差。因為某型離心傳感器的傳動軸為慣性體,系統(tǒng)開始啟動時,從動軸轉(zhuǎn)速由0逐漸增加至與輸入軸轉(zhuǎn)速相等,因間隙的存在,在達到轉(zhuǎn)速同步的過程中,從動軸轉(zhuǎn)速會發(fā)生數(shù)次震蕩。

系統(tǒng)達到穩(wěn)定后,輸入軸轉(zhuǎn)速以恒定的速率增加,輸入軸與從動軸的轉(zhuǎn)動加速度相同,始終如圖10所示接觸。當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)速突然減小,從動軸因為慣性的作用還保持原來的轉(zhuǎn)速,兩者之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差,因輸入軸與軸套間存在間隙,在達到新的穩(wěn)態(tài)前,輸入軸與軸套產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動,不再維持如圖10所示接觸關(guān)系。

通過對不同轉(zhuǎn)軸間隙的仿真可知,相同的輸入轉(zhuǎn)速波動下,輸入軸與軸套的間隙越大,轉(zhuǎn)速差幅值越大,可能會導(dǎo)致發(fā)動機放氣帶工作穩(wěn)定性變差。

3 內(nèi)部流場影響分析

根據(jù)某型離心傳感器的結(jié)構(gòu)原理,引入發(fā)動機定壓滑油作為控制油,在工作時通過內(nèi)部流道控制薄膜腔的壓力大小,從而使薄膜桿輸出位移,因此滑油在離心傳感器的內(nèi)部流動情況對其工作穩(wěn)定性也有一定影響。采用Fluent軟件對某型離心傳感器內(nèi)部流道的流場進行仿真分析[9-11],深入認識離心傳感器內(nèi)部流動情況,探索內(nèi)部流場對其工作穩(wěn)定性的影響。

3.1 仿真模型建立

湍流模型使用k-epsilon模型,近壁面使用標準壁面函數(shù)進行處理[12]。按某型離心傳感器專用技術(shù)條件,給定離心傳感器進口滑油壓力0.44 MPa,出口滑油壓力0 MPa。某型離心傳感器內(nèi)部流道如圖11所示。

圖11 某型離心傳感器內(nèi)部流道

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 不同分油活門開度對比

分油活門開度分別按0.800 mm、0.300 mm、0.050 mm、0.016 mm、0.008 mm進行仿真分析。不同分油活門開度時各腔壓力如表1所示;不同分油活門開度下的壓力云圖如圖12所示;不同分油活門開度下的速度云圖如圖13所示。

表1 不同分油活門開度時各腔壓力

圖12 不同分油活門開度下的壓力云圖

根據(jù)仿真結(jié)果,可以得出:

(1)根據(jù)前期離心傳感器微動開關(guān)接通、斷開試驗結(jié)果,微動開關(guān)接通時薄膜腔壓力在0.120～0.140 MPa范圍內(nèi),斷開時薄膜腔壓力在0.078～0.091 MPa范圍內(nèi),則離心傳感器微動開關(guān)接通時分油活門開度位于0.008～0.016 mm之間,斷開時分油活門開度位于0.008 mm附近。離心傳感器微動開關(guān)接通、斷開時分油活門開度較小,當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速或滑油壓力波動較大時,薄膜腔容易發(fā)生突變,引發(fā)離心傳感器信號燈閃亮。同時,離心傳感器微動開關(guān)接通、斷開時分油活門開度過小,滑油流動容易受到分油活門控制邊質(zhì)量的影響;

(2)離心傳感器內(nèi)部滑油整體流速較低,高流速區(qū)域主要集中在離心傳感器薄膜腔的節(jié)流孔和節(jié)流孔出口處。

3.2.2 工作時分油活門液動力分析

根據(jù)流場仿真結(jié)果,對分油活門開度為0.008 mm和0.016 mm時不同節(jié)流嘴直徑作用在分油活門上的液動力進行統(tǒng)計,作用在分油活門上的液動力如表2所示。在分油活門開度為0.008 mm和0.016 mm時,不同節(jié)流嘴直徑作用分油活門上的液動力均小于0.1 N,遠小于此時的彈簧力,因此基本可忽略作用在分油活門上的液動力對分油活門運動的影響。

表2 作用在分油活門上的液動力

4 結(jié)論

本文從傳動鏈動態(tài)特性和內(nèi)部流場對某型離心傳感器進行分析,根據(jù)仿真結(jié)果,兩者對發(fā)動機放氣帶工作穩(wěn)定性均存在一定影響,基于此對后續(xù)改進提出建議:

(1)減小離心傳感器輸入軸與軸套的間隙,可有效降低離心傳感器傳動軸與輸入軸的轉(zhuǎn)速差,提高發(fā)動機放氣帶的工作穩(wěn)定性;

(2)離心傳感器微動開關(guān)接通、斷開時分油活門開度較小,微動開關(guān)接通時分油活門開度位于0.008～0.016 mm之間,斷開時分油活門開度位于0.008 mm附近;分油活門開度越小對發(fā)動機放氣帶的工作穩(wěn)定性影響越大,可適當(dāng)增大工作時分油活門的開度;

(3)離心傳感器微動開關(guān)接通、斷開時作用在分油活門上的液動力遠小于此時的彈簧力,基本可忽略其對分油活門運動的影響。