楊小龍，趙立飛，蔣 輝

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機供油系統(tǒng)主要是保證直升機在各種工作條件下向發(fā)動機可靠供油，在直升機所要求的工作包線內(nèi)不應限制直升機的性能或給發(fā)動機的工作帶來不利影響。發(fā)動機燃油入口壓力受到在飛行剖面內(nèi)的大氣壓力、燃油流量、直升機過載等多種因素影響，當增壓泵在一個固定的轉(zhuǎn)速不能滿足整個飛行剖面內(nèi)的發(fā)動機燃油入口壓力工作范圍時，可采用變轉(zhuǎn)速增壓泵來實現(xiàn)發(fā)動機燃油入口壓力可控，滿足發(fā)動機燃油入口壓力要求。變轉(zhuǎn)速控制可分為無級變轉(zhuǎn)速和分級變轉(zhuǎn)速兩種方式。無級變轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)增壓泵輸出壓力為恒定值，負載的任何變化，都會導致增壓泵的轉(zhuǎn)速變動；分級變轉(zhuǎn)速則是將增壓泵工作轉(zhuǎn)速設為幾個固定的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)壓力在一定的范圍內(nèi)變化，當壓力超出指定范圍的變化值上下限時，增壓泵轉(zhuǎn)速才減小或增大到另一個轉(zhuǎn)速，從而使得增壓泵具有較好的工作效率。

無級變轉(zhuǎn)速在水力系統(tǒng)中恒壓控制的應用研究較多，如彭秀艷等人研究了機場飛機恒壓加油，根據(jù)加油系統(tǒng)的性能指標采用無級變頻調(diào)速技術，設計了一套基于可編程控制器(PLC)和WINCC的變頻恒壓加油試驗系統(tǒng)；詹莊春研究了采用一臺變頻器帶兩臺泵的一拖二模式的無級變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)；花元濤等人研究了采用一臺變頻器帶三臺泵的一拖三模式的“變頻循環(huán)”模式對電機進行無級變頻調(diào)速實現(xiàn)變頻恒壓灌溉控制；何武全等人研究了根據(jù)壓力等級進行灌溉分區(qū)，各分區(qū)采用不同的壓力等級分級恒壓自動控制的變頻調(diào)速分級恒壓灌溉自動控制系統(tǒng)。分級變轉(zhuǎn)速在水力系統(tǒng)中壓力控制的應用研究較少，易曉紅等人介紹了一種采用三個轉(zhuǎn)速工況點的分級交流變頻調(diào)速技術的航空變量泵的原理及設計過程。分級變轉(zhuǎn)速研究未涉及到分級變轉(zhuǎn)速之間轉(zhuǎn)速變化的動態(tài)特性。因此，本文針對直升機發(fā)動機對燃油入口壓力要求的范圍小于直升機過載變化等引起的負載變化范圍，且飛行剖面中飛行過載等因素引起的負載變化急劇，研究了一種分級變轉(zhuǎn)速增壓泵供油系統(tǒng)構(gòu)型，探討了分級級數(shù)確定的方法，并以發(fā)動機對燃油入口壓力要求的范圍作為控制約束，對直升機大氣壓力、燃油流量和直升機過載等變化進行仿真，分析了分級變轉(zhuǎn)速增壓泵供油性能，同時探討了分級級數(shù)對發(fā)動機燃油入口壓力的影響。

1 分級變轉(zhuǎn)速控制原理

1.1 供油系統(tǒng)構(gòu)型

根據(jù)某型直升機發(fā)動機燃油入口壓力需求，形成簡化的直升機供油系統(tǒng)構(gòu)型。該供油系統(tǒng)由燃油箱、增壓泵、單向閥、燃油管路、壓力傳感器、變頻器和電機等組成。簡化的燃油系統(tǒng)構(gòu)型如圖1所示。本文主要研究直升機垂直方向的過載對燃油系統(tǒng)的影響，因此只考慮垂直方向的過載。

圖1 簡化的供油系統(tǒng)構(gòu)型

發(fā)動機燃油入口壓力可表示為：

=+--Δ=-

(1)

式中：—發(fā)動機燃油入口壓力；—增壓泵增壓壓力；—燃油箱內(nèi)大氣壓力；—發(fā)動機入口之燃油箱液面凈高度管路的慣性阻力(壓力)；Δ—燃油系統(tǒng)管路和附件的沿程摩檫阻力和局部阻力；—除泵外的系統(tǒng)壓力，等于+Δ-。

由式(1)可知，發(fā)動機燃油入口壓力由增壓泵特性、燃油箱內(nèi)大氣壓力和管路流阻特性決定。通常發(fā)動機對燃油入口的壓力要求是在要求的流量變化范圍內(nèi)滿足最大和最小壓力要求。燃油箱內(nèi)大氣壓力(反映了飛行高度)、管路慣性阻力(反映了過載)、沿程摩檫阻力和局部阻力(反映了溫度、流量、流體介質(zhì)等)變化直接決定了增壓泵的選型：當發(fā)動機燃油入口壓力要求范圍較大時，燃油增壓泵可以在固定轉(zhuǎn)速運行，目前直升機的燃油系統(tǒng)基本上都是采用這種單一轉(zhuǎn)速的增壓泵；當發(fā)動機燃油入口壓力要求范圍較小，而燃油箱內(nèi)大氣壓力(反映了飛行高度)、管路慣性阻力(反映了過載)、沿程摩檫阻力和局部阻力(反映了溫度、流量、流體介質(zhì)等)變化范圍超過了燃油增壓泵定轉(zhuǎn)速的特性時，則可以采用分級變轉(zhuǎn)速增壓泵，以滿足飛行剖面要求。

1.2 分級變轉(zhuǎn)速控制原理

燃油系統(tǒng)增壓泵通常為離心泵。根據(jù)式(1)，分級變轉(zhuǎn)速控制是當離心泵出口的燃油箱內(nèi)大氣壓力、慣性阻力和管路流阻特性發(fā)生變化時，通過調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)離心泵出口的壓力，使得離心泵出口的壓力達到要求的水平。如圖2，當燃油系統(tǒng)流量保持在，直升機的飛行高度和過載變化導致由增加到時，為保持發(fā)動機燃油入口壓力不變，需將燃油泵轉(zhuǎn)速從增加到，從而燃油泵出口壓力需由增加到；當由減小到，為保持發(fā)動機燃油入口壓力不變，需將燃油泵轉(zhuǎn)速從減小到，從而燃油泵出口壓力需由減小到。

圖2 燃油泵變轉(zhuǎn)速分級控制原理

2 分級級數(shù)的確定

確定燃油增壓泵分級時，首先要確定發(fā)動機燃油入口允許的壓力范圍，然后確定燃油系統(tǒng)在飛行剖面中各種工況導致的除泵外的系統(tǒng)壓力變化范圍。

通常發(fā)動機對燃油入口壓力的要求范圍為：Δ=-。式中：Δ—發(fā)動機燃油入口壓力允許變化范圍；—發(fā)動機燃油入口壓力要求的上限；—發(fā)動機燃油入口壓力要求的下限。

在飛行剖面中，大氣壓力會導致燃油箱內(nèi)大氣壓力變化；飛行過載會導致發(fā)動機燃油入口至燃油箱液面凈高度管路的慣性阻力(壓力)變化；溫度、流量、流體介質(zhì)的變化會導致燃油系統(tǒng)管路和附件的沿程摩擦阻力和局部阻力Δ變化，從而導致除泵外的系統(tǒng)壓力發(fā)生變化，如下式：

Δ=-

(2)

式中：Δ—除泵外的系統(tǒng)壓力變化大??；—除泵外的系統(tǒng)壓力上限；—除泵外的系統(tǒng)壓力下限。

根據(jù)式(1)，可得：

=+

(3)

根據(jù)式(3)，要求增壓泵的工作范圍為+到+之間，又要滿足在一定工況下發(fā)動機對入口的最小和最大壓力要求，因此，分級級數(shù)可用下式計算：

(4)

式中：Δ—增壓泵在某一固定轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機要求的流量變化范圍內(nèi)的增壓泵增壓壓力變化范圍；—余度系數(shù)，保證發(fā)動機入口的壓力范圍不超過系統(tǒng)要求。

在設計壓力分級級數(shù)時，增壓泵轉(zhuǎn)速分級可選取常用工況，即在多數(shù)工況下不進行變轉(zhuǎn)速控制，增壓泵轉(zhuǎn)速不變，設定該轉(zhuǎn)速為一個基準轉(zhuǎn)速。然后根據(jù)系統(tǒng)的特性，確定轉(zhuǎn)速最終分級級數(shù)(可等分也可不等分)。如圖3所示，在+到+之間分為、、、四級轉(zhuǎn)速。

圖3 增壓泵轉(zhuǎn)速分級級數(shù)示意圖

3 燃油系統(tǒng)數(shù)值建模及分析

3.1 仿真計算模型

在文獻[9]采用Matlab建立的某典型直升機供油系統(tǒng)模型基礎上，將PID控制改為分級變轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)式(4)計算，將變轉(zhuǎn)速增壓泵轉(zhuǎn)速分為四級或三級。當增壓泵轉(zhuǎn)速分為四級時，仿真模型如圖4所示。該模型用于研究大過載變化情況下，變轉(zhuǎn)速增壓泵是否能夠及時響應發(fā)動機燃油入口壓力范圍上下限的變化，提供發(fā)動機要求的燃油流量和壓力。圖中主要包括燃油箱、增壓泵、單向閥、燃油管路、壓力傳感器、變頻器和電機、分段控制等元件以及過載系數(shù)、大氣壓輸入、流量接口等。當分級為三級時，則在Switch Case中去除一個Case，并修改相應的輸出轉(zhuǎn)速即可。

圖4 Matlab供油系統(tǒng)仿真模型

3.2 四級分級轉(zhuǎn)速供油特性

采用四級分級轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速分別為3600、4100、4700、5200 RPM，將發(fā)動機燃油入口壓力控制為1.57～2.37 bar；過載系數(shù)在-0.5～3.5之間變化；流量在0.9～3.6 m/s之間變化；飛行高度分別在0、2000、7000 m，對應的大氣壓力分別為101325、79485和41043 Pa。過載系數(shù)、流量、大氣壓力等參數(shù)曲線和增壓泵轉(zhuǎn)速、發(fā)動機燃油入口壓力仿真曲線如圖5。

圖5 四級分級轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

可知，在過載激烈變化時，當發(fā)動機燃油入口壓力到達下限時，轉(zhuǎn)速迅速提高到高一級，發(fā)動機燃油入口壓力迅速上升；當發(fā)動機燃油入口壓力到達上限時，轉(zhuǎn)速迅速降低到低一級，發(fā)動機燃油入口壓力迅速下降；發(fā)動機燃油入口壓力在1.57～2.37 bar之間變化，能滿足發(fā)動機對燃油入口壓力的要求。

圖6 分級轉(zhuǎn)速三級仿真結(jié)果

3.3 三級分級轉(zhuǎn)速供油特性

采用三級轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速分別為3600、4400、5200 RPM，將發(fā)動機燃油入口壓力控制為1.57～2.37 bar；過載系數(shù)在-0.5～3.5之間變化；流量在0.9～3.6 m/s之間變化；飛行高度分別在0、2000、7000 m，對應的大氣壓力分別為101325、79485和41043 Pa。流量、過載系數(shù)、大氣壓力等參數(shù)曲線和發(fā)動機燃油入口壓力、增壓泵轉(zhuǎn)速仿真曲線如圖6?？芍谶^載激烈變化時，當發(fā)動機入口壓力到達下限時，轉(zhuǎn)速迅速提高到高一級，發(fā)動機入口壓力迅速上升；當發(fā)動機入口壓力到達上限時，轉(zhuǎn)速迅速降低到低一級，發(fā)動機入口壓力迅速下降；發(fā)動機燃油入口壓力在1.36～2.37 bar之間變化，超出了1.57～2.37 bar的范圍，不滿足發(fā)動機對燃油入口壓力要求。

3.4 四級、三級分級對比分析

四級分級轉(zhuǎn)速中轉(zhuǎn)速分別為3600、4100、4700、5200 RPM，三級分級轉(zhuǎn)速中轉(zhuǎn)速分別為3600、4400、5200 RPM。四級、三級分級轉(zhuǎn)速中，除轉(zhuǎn)速不同外，其它參數(shù)均一致，發(fā)動機燃油入口壓力和增壓泵轉(zhuǎn)速曲線如圖7。由圖可知三級轉(zhuǎn)速發(fā)動機燃油入口壓力超出要求主要是由于分級轉(zhuǎn)速之間跨度大，轉(zhuǎn)速延遲致使壓力超過下限。分級轉(zhuǎn)速多，級間轉(zhuǎn)速差小有利于壓力范圍的控制。

圖7 發(fā)動機燃油入口壓力和增壓泵轉(zhuǎn)速曲線

4 結(jié)論

本文研究了一種增壓泵分級變轉(zhuǎn)速供油系統(tǒng)構(gòu)型；探討了分級級數(shù)確定的方法。利用Matlab建立了簡化的直升機供油系統(tǒng)數(shù)學模型，以發(fā)動機對燃油入口壓力要求的范圍作為控制約束，采用分級變轉(zhuǎn)速控制增壓泵，對直升機燃油流量、直升機過載和大氣壓力等變化進行了動態(tài)仿真分析。結(jié)果表明，在直升機燃油流量、直升機過載、大氣壓力等變化的過程中，采用分級變轉(zhuǎn)速的方法，發(fā)動機燃油入口壓力能夠滿足發(fā)動機要求。分級級數(shù)對發(fā)動機燃油入口壓力的影響較大，級間轉(zhuǎn)速差的大小直接影響響應時間。該研究為直升機供油系統(tǒng)的大過載變化率下發(fā)動機燃油入口壓力控制建模和仿真提供了一種思路和方法，同時對供油系統(tǒng)的設計具有一定的借鑒意義。