航空發(fā)動(dòng)機(jī)用燃油計(jì)量系統(tǒng)新型活門設(shè)計(jì)及研究

楊偉，鄧熠，李強(qiáng)，王羽熙，司國雷，陳君輝，王嘉磊

(四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公司，四川成都 611130)

0 前言

燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃油計(jì)量系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃油量，以實(shí)現(xiàn)飛行動(dòng)作改變[1-2]。故燃油流量增加和減少的速度直接影響導(dǎo)彈的速度增益。根據(jù)現(xiàn)階段戰(zhàn)術(shù)武器的工作要求，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)加速或者減速指令下達(dá)后，為防止發(fā)動(dòng)機(jī)供油響應(yīng)失常，燃油計(jì)量系統(tǒng)需在1.5 s內(nèi)做出準(zhǔn)確響應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)間響應(yīng)更加快速的主調(diào)節(jié)活門是保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重點(diǎn)工作。

按照燃油控制方式，可將燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油計(jì)量系統(tǒng)分為手動(dòng)控制、氣動(dòng)控制、機(jī)械液壓控制和數(shù)字電子控制等[3]。理想的燃油計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、溫升小和高可靠性等特點(diǎn)。目前，國際航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)是：以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字電子控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的機(jī)械液壓調(diào)節(jié)器，進(jìn)而整合飛行、燃油流量、進(jìn)氣等控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集成化數(shù)字控制[4-5]。目前，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油計(jì)量系統(tǒng)也開始向數(shù)字電子調(diào)節(jié)器發(fā)展，已經(jīng)在一些原型機(jī)上取得了示范應(yīng)用，但實(shí)際應(yīng)用仍以技術(shù)成熟的機(jī)械液壓式為主[6-8]。2002年西北工業(yè)大學(xué)馬靜、王鏞根[9]對(duì)X型燃油計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行了元部件和系統(tǒng)建模、仿真研究，分析了相關(guān)參數(shù)的影響。2006年西北工業(yè)大學(xué)陸宏亮[10]、李吉[11]分別對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)用燃油計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真分析。1997—2003年，北京動(dòng)力機(jī)械研究所研制了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)了脈寬數(shù)字控制方式的機(jī)械液壓調(diào)節(jié)器，具有響應(yīng)速度快、控制精度高的特點(diǎn)。

本文作者結(jié)合機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)原理，對(duì)燃油計(jì)量系統(tǒng)主調(diào)節(jié)活門進(jìn)行再設(shè)計(jì)，使它具備更加高效的活門響應(yīng)特性。

1 燃油計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

燃油計(jì)量系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1所示的燃油計(jì)量系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)中，主調(diào)節(jié)活門、齒輪泵、出口組件、占空比活門、電磁閥和角位移傳感器組成機(jī)械式閉環(huán)反饋系統(tǒng)。當(dāng)燃油計(jì)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化時(shí)，根據(jù)角位移傳感器采集數(shù)據(jù)，占空比活門開啟脈寬調(diào)制，調(diào)整出口組件的閥口開度，齒輪泵從油箱中抽取燃油輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油油量按需供給。啟動(dòng)電磁閥、等壓差活門和限壓電磁閥用于調(diào)整燃油計(jì)量系統(tǒng)內(nèi)部燃油壓力，使它處于穩(wěn)定的壓力狀態(tài)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量調(diào)整中，燃油計(jì)量系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是衡量其性能的關(guān)鍵參數(shù)。響應(yīng)時(shí)間越短，意味著發(fā)動(dòng)機(jī)能夠越快獲得燃油補(bǔ)給，直接協(xié)助飛行器做出高效的動(dòng)作響應(yīng)[12-13]。在圖1所示的燃油計(jì)量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)中，占空比活門將直接控制主調(diào)節(jié)活門的閥門開度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行燃油補(bǔ)給，若需實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)飛行動(dòng)作的高效響應(yīng)，則主調(diào)節(jié)活門對(duì)占空比信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間至關(guān)重要。因此，主調(diào)節(jié)活門的動(dòng)態(tài)特性是影響燃油計(jì)量系統(tǒng)綜合響應(yīng)性能的重要部件。

2 主調(diào)節(jié)活門控制原理及其響應(yīng)

2.1 新型主調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)是現(xiàn)階段發(fā)動(dòng)機(jī)燃油計(jì)量系統(tǒng)常用的結(jié)構(gòu)形式，如圖2(a)所示，該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，故而廣泛地應(yīng)用于各類型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油計(jì)量系統(tǒng)中。伴隨著飛行器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給提出了更加快速的要求，文中設(shè)計(jì)了一款新型主調(diào)節(jié)活門，以期進(jìn)一步提升燃油計(jì)量系統(tǒng)的供油效率，實(shí)現(xiàn)燃油的快速供給，其結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。

圖2 傳統(tǒng)型(a)和新型(b)主調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計(jì)的新型主調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)由導(dǎo)向桿組件、油濾組件、油針組件、襯套組件、主調(diào)節(jié)活門閥口和閥桿組件構(gòu)成。相比于傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、關(guān)鍵零件少、模塊化程度高等特點(diǎn)。

2.2 主調(diào)節(jié)活門回路控制原理

在燃油計(jì)量系統(tǒng)工作過程中，控制器發(fā)出脈寬(PWM)指令信號(hào)給電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路收到指令后輸出具有一定幅值和占空比的電壓信號(hào)到電磁閥。在這一電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，主調(diào)節(jié)活門按照一定比例開啟閥門，進(jìn)而使燃油計(jì)量系統(tǒng)出口組件燃油壓力和流量發(fā)生變化。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，電磁閥和占空比活門會(huì)在50%占空比工況下穩(wěn)定工作；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需求流量增加時(shí)，占空比活門的占空比從0起步，促使主調(diào)節(jié)活門閥芯快速開啟，增大出口組件的壓力和流量。同時(shí)，通過控制器接收角位移傳感器信息，使控制器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油狀態(tài)調(diào)整PWM信號(hào)，最終使得占空比穩(wěn)定在50%；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需求流量減少時(shí)，占空比活門的占空比為100%，即活門完全開啟。此時(shí)，主調(diào)節(jié)活門閥芯在內(nèi)部力作用下逐步減小閥門開度，以減小出口組件的壓力和流量，并使得占空比最終穩(wěn)定在50%。主調(diào)節(jié)器活門回路控制原理如圖3所示。

圖3 主調(diào)節(jié)活門回路控制原理

2.3 主調(diào)節(jié)活門閥門響應(yīng)

主調(diào)節(jié)活門閥門響應(yīng)是指：發(fā)動(dòng)機(jī)在不同油耗狀態(tài)下，主調(diào)節(jié)活門中活塞移動(dòng)的距離所需要的時(shí)間，單位為ms。由前述可知，主調(diào)節(jié)活門是參與發(fā)動(dòng)機(jī)油量供給的直接元件。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需求油量發(fā)生改變時(shí)，主調(diào)節(jié)活門閥芯開啟/關(guān)閉的響應(yīng)會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給的效率。主調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 新型主調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)

圖4中：pi為主調(diào)節(jié)活門進(jìn)口壓力；Qi為主調(diào)節(jié)活門進(jìn)口流量；po為主調(diào)節(jié)活門出口壓力；Qo為主調(diào)節(jié)活門出口流量；pc為主調(diào)節(jié)活門控制腔壓力；Qc為主調(diào)節(jié)活門控制腔流量；pf為電磁閥壓力；Qf為電磁閥流量；pr為齒輪泵壓力；Qr為齒輪泵流量；A1為主調(diào)節(jié)活門閥芯大端面積；A2為主調(diào)節(jié)活門閥芯小端面積。當(dāng)飛行器需要加速/減速時(shí)，主調(diào)節(jié)活門閥芯通過左/右移來控制其出口燃油流量。若發(fā)動(dòng)機(jī)需要供油，則電磁閥從初始的平衡狀態(tài)(占空比為100%)調(diào)整為0%，電磁閥進(jìn)入全關(guān)閉的狀態(tài)，主調(diào)節(jié)活門流量從最小變化至最大，該過程耗時(shí)即供油系統(tǒng)的上升時(shí)間；反之，流量從最大到最小的過程即為下降時(shí)間。故定義主調(diào)節(jié)活門接收指令到實(shí)現(xiàn)指令的時(shí)間為主調(diào)節(jié)活門閥芯響應(yīng)，文中設(shè)計(jì)的主調(diào)節(jié)活門要求響應(yīng)時(shí)間在0.5～1.5 s之間。

3 主調(diào)節(jié)活門動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證

3.1 主調(diào)節(jié)活門動(dòng)態(tài)特性理論驗(yàn)證

圖3所示為主調(diào)節(jié)活門閉環(huán)控制簡(jiǎn)圖，其中控制對(duì)象為主調(diào)節(jié)活門閥芯。通過電磁閥不同工作狀態(tài)引起閥芯兩端容腔的壓力變化，從而控制閥芯向左/右移動(dòng)，模擬燃油計(jì)量系統(tǒng)中出口組件的流量變化。發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工作狀態(tài)下，占空比活門的占空比信號(hào)狀態(tài)均不相同。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要加速時(shí)，占空比信號(hào)狀態(tài)為占空比0%；反之，占空比信號(hào)狀態(tài)為占空比100%。因此，在主調(diào)節(jié)活門動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)中，將重點(diǎn)考慮占空比τ=0%和τ=100%時(shí)，主調(diào)節(jié)活門的響應(yīng)情況。

主調(diào)節(jié)活門控制腔容積變化引起主調(diào)節(jié)活門動(dòng)作，將電磁閥看作一個(gè)阻尼，則通流面積為

(1)

式中：Aq為占空比活門等效通流面積；Am為電磁閥等效通流面積。其通流量為

(2)

式中：μ為流量系數(shù)；ρ為介質(zhì)密度。則主調(diào)節(jié)活門控制腔容積變化率：

(3)

式中：x′為 主調(diào)節(jié)活門行程變化率。由式(1)—(3)可得出主調(diào)節(jié)活門在平衡位置(拐點(diǎn)處)流量增益Kq=δQL/δτ(τ=50%)、主調(diào)節(jié)活門的速度增益Kv=Kq/A1和響應(yīng)時(shí)間t=|Lmax-Lmin|/Kv。

設(shè)置燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作參數(shù)，主調(diào)節(jié)活門閥芯最大開度Lmax=7.56 mm、最小開度Lmin=1.58 mm，τ=0%和100%分別對(duì)應(yīng)電磁閥最小開度和最大開度。τ=0%時(shí)，主調(diào)節(jié)活門閥芯的最大流量為70 kg/h，進(jìn)口壓力為1.1 MPa，出口壓力為1.39 MPa；當(dāng)τ=100%時(shí)，主調(diào)節(jié)活門閥芯的最大流量為425 kg/h，進(jìn)口壓力為2.3 MPa，出口壓力為1.39 MPa。將上述參數(shù)代入式(2)(3)中，分別計(jì)算主調(diào)節(jié)活門的流量增益Kq、速度增益Kv和響應(yīng)時(shí)間t，結(jié)果如表1所示。

表1 新型主調(diào)節(jié)活門參數(shù)

由表1可知：當(dāng)τ=0%時(shí)，新型主調(diào)節(jié)活門的流量增益Kq=2.93 mL/s、速度增益Kv=9.6 mm/s和響應(yīng)時(shí)間t=0.620 s；當(dāng)τ=100%時(shí)，新型主調(diào)節(jié)活門的流量增益Kq=-2.14 mL/s、速度增益Kv=7.02 mm/s和響應(yīng)時(shí)間t=0.858 s。實(shí)際工程中，要求燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)活門閥芯的響應(yīng)時(shí)間在0.55～1.5 s之間，故文中設(shè)計(jì)的主調(diào)節(jié)活門滿足響應(yīng)時(shí)間要求。同理，在τ=0%和τ=100%時(shí)，計(jì)算使用傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)的燃油計(jì)量系統(tǒng)的增益與響應(yīng)時(shí)間，結(jié)果如表2所示。

表2 傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門參數(shù)

對(duì)比表1和表2可知：當(dāng)τ=0%、τ=100%時(shí)，在相同的進(jìn)口壓力下，文中設(shè)計(jì)的新型主調(diào)節(jié)活門的流量增益、速度增益和響應(yīng)時(shí)間均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門。

3.2 主調(diào)節(jié)活門動(dòng)態(tài)特性仿真驗(yàn)證

在AMESim軟件中，建立燃油計(jì)量系統(tǒng)仿真模型，各關(guān)鍵組成部件連接如圖5所示。其中，主調(diào)節(jié)活門參數(shù)設(shè)置與第3.1節(jié)中相同。

圖5 燃油計(jì)量系統(tǒng)AMESim仿真模型

給定系統(tǒng)壓力為1.5 MPa，油源使用恒定流量源Q代替，設(shè)定仿真時(shí)間10 s，運(yùn)行AMESim模型分別得到在占空比τ=0%、τ=100%下對(duì)應(yīng)的兩款主調(diào)節(jié)活門響應(yīng)時(shí)間，結(jié)果如圖6所示。

圖6 新型和傳統(tǒng)型燃主調(diào)節(jié)活門響應(yīng)時(shí)間

由圖6可知：燃油計(jì)量系統(tǒng)主調(diào)節(jié)活門的響應(yīng)時(shí)間呈周期性分布，且在任意周期內(nèi)具有明顯的時(shí)間上升與下降，故可將單個(gè)周期的響應(yīng)時(shí)間作為主調(diào)節(jié)活門響應(yīng)時(shí)間的評(píng)價(jià)指標(biāo)，且響應(yīng)時(shí)間為上升時(shí)間與下降時(shí)間之和。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，任意周期內(nèi)，當(dāng)占空比τ=0%時(shí)，新型主調(diào)節(jié)活門的響應(yīng)時(shí)間約0.613 s(上升時(shí)間：0.306 s，下降時(shí)間：0.306 s)，傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門的響應(yīng)時(shí)間約0.87 s(上升時(shí)間：0.435 s，下降時(shí)間：0.435 s)。當(dāng)占空比τ=100%，新型主調(diào)節(jié)活門的響應(yīng)時(shí)間約0.843 s(上升時(shí)間：0.422 s，下降時(shí)間：0.422 s)，傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門的響應(yīng)時(shí)間約0.927 s(上升時(shí)間：0.464 s，下降時(shí)間：0.464 s)。故可知當(dāng)占空比τ=0%、τ=100%時(shí)，所設(shè)計(jì)的新型主調(diào)節(jié)活門的響應(yīng)時(shí)間分別為0.613 s和0.843 s，均滿足響應(yīng)時(shí)間小于1 s的要求，且相較于傳統(tǒng)主調(diào)節(jié)活門，其響應(yīng)效率提升了29.5%(占空比τ=0%)和9.06%(占空比τ=100%)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油計(jì)量系統(tǒng)提出的快速響應(yīng)要求。

4 結(jié)論

文中針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油計(jì)量系統(tǒng)提出的快速響應(yīng)要求，結(jié)合主調(diào)節(jié)活門的控制原理，設(shè)計(jì)了新型主調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)。

(1)理論驗(yàn)證階段表明：新型主調(diào)節(jié)活門在占空比τ=0%、τ=100%時(shí)的響應(yīng)時(shí)間分別為0.62 s和0.858 s，均小于1 s，滿足設(shè)計(jì)要求。而傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門在占空比τ=0%、τ=100%時(shí)的響應(yīng)時(shí)間分別為0.87 s和0.927 s，明顯高于新型主調(diào)節(jié)活門，表明了所設(shè)計(jì)的主調(diào)節(jié)活門能夠有效地提升燃油計(jì)量系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

(2)AMESim仿真結(jié)果表明：新型主調(diào)節(jié)活門在占空比τ=0%、τ=100%時(shí)的響應(yīng)時(shí)間分別為0.613 s和0.843 s，均優(yōu)于現(xiàn)階段燃油計(jì)量系統(tǒng)常用的傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門，且響應(yīng)效率分別提升了29.5%(占空比τ=0%)和35.4%(占空比τ=100%)，為燃油計(jì)量系統(tǒng)后續(xù)控制系統(tǒng)搭建提供了良好的硬件支撐。