航空發動機噴口閉環控制系統與調整方法研究

孟 濤 趙祚祥 張 斌

1.海軍裝備部 西安 710021

2.中國航發動力股份有限公司 西安 710021

1 存在的問題

航空發動機噴口控制是發動機控制系統中的重要組成部分,國內外在噴口控制原理及方法上進行了大量研究,提出了油路控制、氣路控制等方法。在加力狀態時,對于帶有加力段的發動機,噴口控制直接影響發動機性能、使用壽命等。同時還需要保證加力狀態下噴口直徑變化不會影響發動機工作狀態,因此加力時的噴口控制又與節流狀態噴口控制原理不同。為提高發動機交付使用安全性,應結合發動機噴口控制原理與實際試車效果,制訂高效的噴口調整方法。

某型發動機在進入加力狀態前,需對發動機進行噴口閉環控制的檢查和調整,檢查發動機是否進入噴口閉環控制,進入噴口閉環控制的起點是否平穩。加力狀態時噴口直徑的大小由加力調節器按照給定的渦輪落壓比控制,保證加力狀態時發動機主機狀態不發生變化,且在加力域工作時狀態穩定可靠。檢查發動機噴口閉環功能時,對發動機狀態有嚴格要求。試車人員需充分理解噴口閉環控制原理、掌握調整規律,了解閉環控制調整與發動機性能相互關系。若實際工作中發動機噴口閉環控制檢查需反復進行調整,則會增加發動機試車時間,同時會造成一定的安全隱患。在實際試車中,對噴口閉環調整主要存在四方面問題。

(1) 發動機首次進行噴口閉環檢查時,實際發動機閉環后渦輪總落壓比大多遠小于中間狀態的渦輪總落壓比,通常這一狀態時需要大范圍進行調整,才能夠使發動機進入閉環狀態。若閉環調整釘調整不規律,則容易造成多次調整。

(2) 發動機由未閉環狀態調整至閉環狀態,有時調整量偏大,使調整后的渦輪總落壓比過大。發動機進入閉環狀態后,存在低壓轉速超轉的風險。

(3) 閉環調整后,發動機進入閉環狀態不明顯,導致發動機加力噴口直徑過小,造成噴口燒蝕,嚴重時需更換噴口。

(4) 發動機加力性能受溫度修正影響大,溫度較低時,閉環控制調整的微小差異可能造成發動機加力噴口直徑偏大,導致加力性能不合格。

發動機噴口閉環控制檢查時,需要快速、準確地確定調整釘調整量,一方面可以規避發動機試車安全隱患,另一方面能夠提升調整效率,提高加力性能調整的合格率。

筆者通過對噴口閉環控制原理的研究,總結現有調整規律,并結合閉環調整與發動機的性能相互關系,制訂發動機噴口閉環控制的最佳調整方法。

2 噴口閉環控制系統

發動機噴口閉環控制系統主要包括溫度信號轉換器、液壓延遲器、空氣過濾減壓器、渦輪總落壓比調節器、噴口調節程序機構等部分。

2.1 溫度信號轉換器

溫度信號轉換器將發動機進口滯止氣流溫度傳給空氣過濾減壓器,用于修正加力燃油供油量,調整渦輪總落壓比。溫度信號轉換器結構如圖1所示。發動機進口溫度感受附件產生燃油壓力指令,燃油壓力沿桿內的油路供給至滑套內部,滑套的外部承受穩定的放油壓力。為提高工作精度,將燃油壓力用單獨的導管引至發動機進口溫度感受附件。上活塞的下腔為非控制腔,由供油嘴從定壓活門供油,壓力由供油嘴和放油嘴間流通能力的相互關系來確定。下活塞的上腔為控制腔,由定壓活門經油嘴供油,沿桿上放油孔經滑套放油,因此下活塞上腔的壓力變化主要取決于滑套相對桿的位置。

圖1 溫度信號轉換器結構

桿的主要受力為燃油壓力、放油壓力作用在滑套上的壓差力與彈簧力。在均衡位置上,桿相對滑套的位置使下活塞的上腔中的壓力和上活塞的下腔中的壓力大致相等。當發動機進口滯止氣流溫度升高時,產生的燃油壓力增大,滑套向上移動,增大桿的放油孔面積。下活塞控制腔的壓力減小,在上活塞非控制腔壓力作用下,桿向上移動,導致桿上放油孔面積減小,控制腔的壓力增大。當作用在桿上的力平衡時,桿停止移動。桿的位移與發動機進口滯止氣流溫度變化成正比。同時,桿的運動傳遞至固定在桿上的立體凸輪及桿下端的齒輪上。立體凸輪按噴口直徑變化程序設計,通過三維凸輪搖臂與噴口調節程序機構的誤差凸輪相連,使誤差凸輪的旋轉與發動機進口滯止氣流溫度成正比。齒輪與空氣過濾減壓器修正凸輪相關聯,使空氣過濾減壓器的工作與發動機進口滯止氣流溫度相關聯。

2.2 液壓延遲器

液壓延遲器在閉環控制中主要影響進入閉環狀態時油門桿角度。在節流狀態及中間狀態時,液壓延遲器與噴口控制活門相連的油路與加力泵油路聯通,噴口控制活門在轉速指令油壓和噴口調節程序機構關斷活門定壓油作用下,發動機維持小噴口狀態。當油門桿繼續上推至閉環油門桿角度時,轉換活門與噴口控制活門相連的油路關閉放油,油壓升高,關斷活門右側油壓恢復為低壓。分油活門的移動完全取決于渦輪總落壓比控制器,由此實現噴口閉環控制功能。

當需要改變閉環油門桿角度時,只需要調整閉環油門桿控制調整釘。調整釘與關閉放油路的擋板相連接,逆時針方向旋轉時提高擋板的位置,使進入閉環時的油門桿角度增大。順時針方向旋轉時相反,可減小閉環油門桿角度。

2.3 空氣過濾減壓器

空氣過濾減壓器結構如圖2所示,主要向渦輪總落壓比調節器薄膜上腔提供減壓后的氣體壓力。當溫度信號轉換器的齒輪將發動機進口滯止氣流溫度信號傳遞至修正凸輪時,杠桿移動與其相連的針塞,針塞通過不同位置改變空氣過濾減壓器中的氣體壓力。在相同溫度下,空氣過濾減壓器保持恒定的壓力,來輸出恒定的渦輪總落壓比。

圖2 空氣過濾減壓器結構

改變閉環后渦輪總落壓比時,只需要調整調整釘。調整釘內部為針塞結構,通過改變氣流在空氣過濾減壓器中的通過面積來改變氣體壓力。順時針旋轉時,通過的氣壓減小,逆時針旋轉時,通過的氣壓增大,以此控制渦輪總落壓比。

2.4 渦輪總落壓比調節器

渦輪總落壓比調節器執行機構按給定程序保持給定的渦輪燃氣膨脹比,在薄膜下腔供給噴口處氣體壓力,薄膜上腔則連接來自空氣過濾減壓器的減壓壓力。調整彈簧使噴口作動筒處于均衡位置,以保證作用在渦輪總落壓比調節器杠桿上的力矩平衡。

渦輪總落壓比調節器能夠按照程序對噴口進行調節。當噴口直徑減小時,分油活門外部滑套向上移動。當噴口位置接近程序給定值時,開始打開分油活門的放油孔,滑套放油,保持程序給定的噴口位置或機械止動位置。渦輪總落壓比調節器噴口直徑不可能小于止動位置的噴口直徑。

3 噴口閉環控制工作原理

根據噴口閉環控制各組件的工作原理,發動機進入閉環控制條件為:發動機渦輪總落壓比調節器及噴口調節程序給定的渦輪總落壓比為定值,只受發動機進口溫度的影響;發動機進口溫度一定時,實際閉環后渦輪總落壓比大于渦輪總落壓比,發動機即能進入閉環控制。

當發動機處于中間狀態時,噴口作動筒控制分油活門在上腔壓力作用下處于最下位置,噴口無桿腔通高壓燃油,噴口處于機械止動位置。

當推油門桿進入閉環油門桿范圍內時,液壓延遲器關閉來自慢車域活門節流后的高壓燃油,進而切斷渦輪總落壓比調節器,關斷活塞右側的高壓燃油,使渦輪總落壓比調節器擋板活門只受到左側燃油壓力、彈簧彈簧力及渦輪總落壓比調節器薄膜張力。

將閉環后的渦輪總落壓比調整至大于渦輪總落壓比,即渦輪總落壓比調節器薄膜下腔壓力大于上腔壓力,擋板活門處開始放油,噴口進入閉環調節。

若調整后的渦輪總落壓比過大,則使噴口面積過大,此時低壓渦輪做功大,低壓轉速突升,甚至超轉。

移動油門桿進入加力狀態后,按調整后的渦輪總落壓比調整噴口直徑大小,此時的噴口直徑按給定程序變化。

閉環控制后,發動機按給定的渦輪落壓比調整噴口直徑。閉環調整原則應使主機狀態不發生變化,所以調整時應當保證發動機中間及以上狀態壓力穩定不變,這是最佳調整狀態。

4 試車調整效果

根據噴口閉環控制工作原理,掌握噴口閉環控制調整原則。為準確指導實際噴口發動機閉環控制調整,統計試車閉環檢查時閉環油門桿控制調整釘調整量、渦輪總落壓比變化量、噴口直徑變化量等,調整效果見表1。

表1 閉環油門桿控制調整釘調整效果

根據統計分析,得到以下調整規律:調整釘每調整1響,閉環油門桿角度改變約1.1°,渦輪總落壓比變化約0.05,噴口直徑變化約7.5 mm。

5 噴口閉環控制調整方法

實際渦輪總落壓比檢查中,通常會遇到下述四種情況:① 閉環油門桿角度不合格;② 檢查發動機未能進入閉環;③ 進入閉環后噴口直徑過大,低壓轉速突升;④ 加力性能不合格。針對上述問題,制訂標準的調整方法。

5.1 閉環油門桿角度不合格

閉環檢查時,閉環油門桿角度大。根據原理分析,此時應為閉環油門桿控制調整釘旋入太多。對此,應在訓練或重調狀態下檢查閉環后油門桿角度并記錄,用記錄油門桿角度減去閉環油門桿角度上下限要求,確定油門桿角度差值,根據閉環油門桿控制調整釘調整變化量,計算出閉環油門桿控制調整釘調整量為確定油門桿角度差值與閉環油門桿控制調整釘調整變化量之比。

當閉環油門桿角度過小時,采用同樣的調整方法,計算出所需調整量。

5.2 發動機未能進入閉環

發動機未能進入閉環時,檢查流程步驟如下。

(1) 首先將發動機轉至訓練狀態,或打開數字電子調節器報故障狀態,再上推油門桿進入閉環狀態,檢查閉環后渦輪總落壓比。之后確定作戰狀態中間的渦輪總落壓比,來確定閉環前后的渦輪總落壓比差值,根據差值確定閉環油門桿控制調整釘的調整量。

(2) 若轉至訓練狀態或打開數字電子調節器報故障狀態后,發動機未能進入閉環,則使發動機進入重調狀態,再上推油門桿進入閉環狀態,檢查閉環后渦輪總落壓比。之后確定作戰狀態中間的渦輪總落壓比,來確定閉環前后的渦輪總落壓比差值,根據差值確定閉環油門桿控制調整釘的調整量。

(3) 若發動機進入重調狀態后仍未能進入閉環,則根據調整統計,結合發動機噴口閉環控制工作原理,按照下述步驟給出建議調整量:

第一,首次調整時的建議調整量;

第二,執行第一步檢查,能進入閉環時的調整量;

第三,執行第一步檢查,未能進入閉環,執行第二步檢查,能進入閉環時的調整量;

第四,執行第一步、第二步檢查均未能進入閉環的調整量;

第五,按照第一步至第四步依次重復檢查閉環,直至閉環明顯,且檢查時發動機未出現轉速突升、突降,閉環前后氣體壓力顯示穩定。

5.3 閉環后低壓轉速突升

閉環后渦輪總落壓比偏大,考慮到逆時針旋轉調整釘最差狀態為發動機未能進入閉環,不接通加力狀態對發動機安全無影響,此時可適量按逆時針方向旋入閉環油門桿控制調整釘。轉至訓練狀態時檢查轉速變化,以及閉環后渦輪總落壓比變化。

5.4 加力性能不合格

加力性能受大氣溫度、加力供油量、噴口面積的影響,大氣溫度一定,供油比滿足限制要求時,噴口面積為影響加力性能的關鍵因素。

對加力狀態的發動機噴口直徑大小與加力時渦輪總落壓比之間的關系進行統計,綜合考慮加力推力與噴口燒蝕風險,確定閉環前后渦輪總落壓比差值的要求,進而控制加力狀態時發動機噴口直徑大小,保證合格可靠的加力性能。

6 結束語

通過發動機噴口閉環控制原理研究,掌握發動機噴口閉環控制調整方法。統計噴口閉環控制調整試車數據,掌握噴口閉環控制調整規律,總結并制訂發動機噴口閉環控制標準的調整方法。調整方法應用后,減少了調整次數,提高了試車效率,保障了試車安全。

考慮到調整釘原理為調整針塞位置控制氣壓,不同溫度下調整效果存在差異,后續將繼續開展在不同溫度和壓力狀態下的閉環控制規律研究,進一步完善發動機噴口閉環控制調整方法。