楊偉，鄧熠，李強，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)動機的重要組成部分。航空發(fā)動機工作時，燃油計量系統(tǒng)控制發(fā)動機燃油量，以實現(xiàn)飛行動作改變[1-2]。故燃油流量增加和減少的速度直接影響導彈的速度增益。根據(jù)現(xiàn)階段戰(zhàn)術(shù)武器的工作要求，當發(fā)動機加速或者減速指令下達后，為防止發(fā)動機供油響應失常，燃油計量系統(tǒng)需在1.5 s內(nèi)做出準確響應。因此，設(shè)計時間響應更加快速的主調(diào)節(jié)活門是保證發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)的重點工作。

按照燃油控制方式，可將燃氣渦輪發(fā)動機的燃油計量系統(tǒng)分為手動控制、氣動控制、機械液壓控制和數(shù)字電子控制等[3]。理想的燃油計量系統(tǒng)應具備結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、溫升小和高可靠性等特點。目前，國際航空發(fā)動機控制系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢是：以計算機為核心的數(shù)字電子控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的機械液壓調(diào)節(jié)器，進而整合飛行、燃油流量、進氣等控制系統(tǒng)，實現(xiàn)集成化數(shù)字控制[4-5]。目前，我國航空發(fā)動機燃油計量系統(tǒng)也開始向數(shù)字電子調(diào)節(jié)器發(fā)展，已經(jīng)在一些原型機上取得了示范應用，但實際應用仍以技術(shù)成熟的機械液壓式為主[6-8]。2002年西北工業(yè)大學馬靜、王鏞根[9]對X型燃油計量系統(tǒng)進行了元部件和系統(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)大學陸宏亮[10]、李吉[11]分別對某型號發(fā)動機用燃油計量系統(tǒng)進行了建模仿真分析。1997—2003年，北京動力機械研究所研制了渦扇發(fā)動機，設(shè)計了脈寬數(shù)字控制方式的機械液壓調(diào)節(jié)器，具有響應速度快、控制精度高的特點。

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

1 燃油計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

燃油計量系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1所示的燃油計量系統(tǒng)機械結(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械式閉環(huán)反饋系統(tǒng)。當燃油計量系統(tǒng)監(jiān)測到發(fā)動機工況變化時，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)動機燃燒室，實現(xiàn)發(fā)動機燃油油量按需供給。啟動電磁閥、等壓差活門和限壓電磁閥用于調(diào)整燃油計量系統(tǒng)內(nèi)部燃油壓力，使它處于穩(wěn)定的壓力狀態(tài)。

在發(fā)動機燃油流量調(diào)整中，燃油計量系統(tǒng)的響應時間是衡量其性能的關(guān)鍵參數(shù)。響應時間越短，意味著發(fā)動機能夠越快獲得燃油補給，直接協(xié)助飛行器做出高效的動作響應[12-13]。在圖1所示的燃油計量系統(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，對發(fā)動機進行燃油補給，若需實現(xiàn)發(fā)動機對飛行動作的高效響應，則主調(diào)節(jié)活門對占空比信號的響應時間至關(guān)重要。因此，主調(diào)節(jié)活門的動態(tài)特性是影響燃油計量系統(tǒng)綜合響應性能的重要部件。

2 主調(diào)節(jié)活門控制原理及其響應

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)動機燃油計量系統(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、動作響應時間短的優(yōu)點，故而廣泛地應用于各類型航空發(fā)動機燃油計量系統(tǒng)中。伴隨著飛行器對發(fā)動機燃油供給提出了更加快速的要求，文中設(shè)計了一款新型主調(diào)節(jié)活門，以期進一步提升燃油計量系統(tǒng)的供油效率，實現(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)計的新型主調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)由導向桿組件、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。

2.2 主調(diào)節(jié)活門回路控制原理

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

當發(fā)動機處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，電磁閥和占空比活門會在50%占空比工況下穩(wěn)定工作；當發(fā)動機需求流量增加時，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，通過控制器接收角位移傳感器信息，使控制器根據(jù)發(fā)動機燃油狀態(tài)調(diào)整PWM信號，最終使得占空比穩(wěn)定在50%；當發(fā)動機需求流量減少時，占空比活門的占空比為100%，即活門完全開啟。此時，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

主調(diào)節(jié)活門閥門響應是指：發(fā)動機在不同油耗狀態(tài)下，主調(diào)節(jié)活門中活塞移動的距離所需要的時間，單位為ms。由前述可知，主調(diào)節(jié)活門是參與發(fā)動機油量供給的直接元件。當發(fā)動機需求油量發(fā)生改變時，主調(diào)節(jié)活門閥芯開啟/關(guān)閉的響應會直接影響發(fā)動機燃油供給的效率。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)活門進口壓力；Qi為主調(diào)節(jié)活門進口流量；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。當飛行器需要加速/減速時，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)動機需要供油，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，該過程耗時即供油系統(tǒng)的上升時間；反之，流量從最大到最小的過程即為下降時間。故定義主調(diào)節(jié)活門接收指令到實現(xiàn)指令的時間為主調(diào)節(jié)活門閥芯響應，文中設(shè)計的主調(diào)節(jié)活門要求響應時間在0.5～1.5 s之間。

3 主調(diào)節(jié)活門動態(tài)特性驗證

3.1 主調(diào)節(jié)活門動態(tài)特性理論驗證

圖3所示為主調(diào)節(jié)活門閉環(huán)控制簡圖，其中控制對象為主調(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，模擬燃油計量系統(tǒng)中出口組件的流量變化。發(fā)動機在不同工作狀態(tài)下，占空比活門的占空比信號狀態(tài)均不相同。當發(fā)動機需要加速時，占空比信號狀態(tài)為占空比0%；反之，占空比信號狀態(tài)為占空比100%。因此，在主調(diào)節(jié)活門動態(tài)特性設(shè)計中，將重點考慮占空比τ=0%和τ=100%時，主調(diào)節(jié)活門的響應情況。

主調(diào)節(jié)活門控制腔容積變化引起主調(diào)節(jié)活門動作，將電磁閥看作一個阻尼，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和響應時間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%分別對應電磁閥最小開度和最大開度。τ=0%時，主調(diào)節(jié)活門閥芯的最大流量為70 kg/h，進口壓力為1.1 MPa，出口壓力為1.39 MPa；當τ=100%時，主調(diào)節(jié)活門閥芯的最大流量為425 kg/h，進口壓力為2.3 MPa，出口壓力為1.39 MPa。將上述參數(shù)代入式(2)(3)中，分別計算主調(diào)節(jié)活門的流量增益Kq、速度增益Kv和響應時間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τ=0%時，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和響應時間t=0.620 s；當τ=100%時，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和響應時間t=0.858 s。實際工程中，要求燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)活門閥芯的響應時間在0.55～1.5 s之間，故文中設(shè)計的主調(diào)節(jié)活門滿足響應時間要求。同理，在τ=0%和τ=100%時，計算使用傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)的燃油計量系統(tǒng)的增益與響應時間，結(jié)果如表2所示。

表2 傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門參數(shù)

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

3.2 主調(diào)節(jié)活門動態(tài)特性仿真驗證

在AMESim軟件中，建立燃油計量系統(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)定仿真時間10 s，運行AMESim模型分別得到在占空比τ=0%、τ=100%下對應的兩款主調(diào)節(jié)活門響應時間，結(jié)果如圖6所示。

圖6 新型和傳統(tǒng)型燃主調(diào)節(jié)活門響應時間

由圖6可知：燃油計量系統(tǒng)主調(diào)節(jié)活門的響應時間呈周期性分布，且在任意周期內(nèi)具有明顯的時間上升與下降，故可將單個周期的響應時間作為主調(diào)節(jié)活門響應時間的評價指標，且響應時間為上升時間與下降時間之和。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，任意周期內(nèi)，當占空比τ=0%時，新型主調(diào)節(jié)活門的響應時間約0.613 s(上升時間：0.306 s，下降時間：0.306 s)，傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門的響應時間約0.87 s(上升時間：0.435 s，下降時間：0.435 s)。當占空比τ=100%，新型主調(diào)節(jié)活門的響應時間約0.843 s(上升時間：0.422 s，下降時間：0.422 s)，傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門的響應時間約0.927 s(上升時間：0.464 s，下降時間：0.464 s)。故可知當占空比τ=0%、τ=100%時，所設(shè)計的新型主調(diào)節(jié)活門的響應時間分別為0.613 s和0.843 s，均滿足響應時間小于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)動機對燃油計量系統(tǒng)提出的快速響應要求。

4 結(jié)論

文中針對發(fā)動機對燃油計量系統(tǒng)提出的快速響應要求，結(jié)合主調(diào)節(jié)活門的控制原理，設(shè)計了新型主調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)。

(1)理論驗證階段表明：新型主調(diào)節(jié)活門在占空比τ=0%、τ=100%時的響應時間分別為0.62 s和0.858 s，均小于1 s，滿足設(shè)計要求。而傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門在占空比τ=0%、τ=100%時的響應時間分別為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)計的主調(diào)節(jié)活門能夠有效地提升燃油計量系統(tǒng)的響應時間。

(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%時的響應時間分別為0.613 s和0.843 s，均優(yōu)于現(xiàn)階段燃油計量系統(tǒng)常用的傳統(tǒng)型主調(diào)節(jié)活門，且響應效率分別提升了29.5%(占空比τ=0%)和35.4%(占空比τ=100%)，為燃油計量系統(tǒng)后續(xù)控制系統(tǒng)搭建提供了良好的硬件支撐。