負(fù)載力對高壓導(dǎo)葉控制偏差影響試驗(yàn)研究

劉燕忠

（海軍駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室，沈陽110043）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)的工作過程是復(fù)雜的氣動熱力過程，在其工作范圍內(nèi)隨著發(fā)動機(jī)的工作條件和工作狀態(tài)的變化，發(fā)動機(jī)的氣動熱力過程將發(fā)生很大變化。為了保證壓氣機(jī)工作的穩(wěn)定性以發(fā)揮發(fā)動機(jī)的最優(yōu)性能，需對高壓壓氣機(jī)進(jìn)口可調(diào)靜子葉片角度進(jìn)行實(shí)時的控制。通過對葉片角度的調(diào)整，可以優(yōu)化壓氣機(jī)的工作特性，提高發(fā)動機(jī)的喘振裕度，同時也對發(fā)動機(jī)的性能提升有積極影響。目前國內(nèi)外常見的航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)包括機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)、帶機(jī)械液壓備份的全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)以及不帶液壓備份的全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)等[1-2]。機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)采用機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)器加模擬式綜合電子調(diào)節(jié)器共同控制發(fā)動機(jī)的可控變量。某型發(fā)動機(jī)采用的就是此種類型的控制系統(tǒng)，此種控制系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，可靠性較高，能夠保證發(fā)動機(jī)在一定使用范圍內(nèi)具有較好的性能。但受控制系統(tǒng)特性影響，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制計(jì)劃和控制規(guī)律，因此在使用過程中也暴露了一些問題。

在某航空發(fā)動機(jī)交付試車過程中，按試車程序要求對高壓導(dǎo)葉控制規(guī)律進(jìn)行檢查，發(fā)動機(jī)狀態(tài)由慢車緩慢升至中間狀態(tài)，然后慢拉油門桿使發(fā)動機(jī)狀態(tài)由中間狀態(tài)緩慢降至慢車狀態(tài)，此過程中記錄高壓導(dǎo)葉角度控制規(guī)律一致性，要求控制規(guī)律相差不大于1毅。但在實(shí)際交付試車時多臺份發(fā)動機(jī)出現(xiàn)控制規(guī)律偏差大的問題。

本文基于某發(fā)動機(jī)高壓導(dǎo)葉控制原理[3-5]，利用地面試驗(yàn)設(shè)備，采用對頂缸液壓加載的方式，開展負(fù)載力對高壓導(dǎo)葉控制偏差影響研究[6-12]。

1 高壓導(dǎo)葉控制原理和偏差情況

主燃油泵調(diào)節(jié)器齒輪泵后壓力Pn為驅(qū)動高壓導(dǎo)葉作動筒工作的油源壓力，P0為低壓回油壓力；導(dǎo)葉控制系統(tǒng)平衡時，活門處于中立位置。換算轉(zhuǎn)速變化時，換算轉(zhuǎn)速形成桿將換算轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)化為高壓活門的位移，高壓活門移動，從而改變導(dǎo)葉作動筒有桿腔和無桿腔的壓力，推動作動筒運(yùn)動；反饋鋼索與導(dǎo)葉作動筒連接，作動筒運(yùn)動帶動反饋凸輪轉(zhuǎn)動，將高壓活門拉回至中立位置，導(dǎo)葉在新的位置平衡，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉角度按換算轉(zhuǎn)速變化的控制規(guī)律[13-14]。高壓角度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 高壓角度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

在對某發(fā)動機(jī)按程序檢查高壓導(dǎo)葉轉(zhuǎn)速上升和下降過程的控制規(guī)律一致性時，出現(xiàn)角度偏差大的問題，最大相差約3毅，如圖 2 所示。

圖2 高壓導(dǎo)葉控制角度偏差

2 負(fù)載力對高壓導(dǎo)葉控制偏差影響理論分析

主泵高壓活門組件為活門襯套組成結(jié)構(gòu)，襯套窗口寬度大于活門臺肩寬度，可以視為對稱式正開口4邊滑閥結(jié)構(gòu)（圖1），對高壓活門進(jìn)行理論計(jì)算[15-17]。

當(dāng)高壓活門處于中立位置時，工作介質(zhì)由節(jié)流口1、2流入，由節(jié)流口3、4流出，無介質(zhì)流入作動筒。假設(shè)活門有正向位移y（定義向右方向?yàn)檎?，則節(jié)流口2、3開大，節(jié)流口1、4關(guān)小，此時通過4個節(jié)流口的流量分別為

式中：qv為通過截流口的流量；μ為流量系數(shù)；b為窗口寬度；e為開口量；Pn為油源壓力；PW為無桿腔壓力；PY為有桿腔壓力。

由于高壓活門為對稱式4邊滑閥，所以有

可得

令

得

則

在系統(tǒng)穩(wěn)定或緩慢推拉的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程，可認(rèn)為qv,L=0，則有

可知，負(fù)載力大小影響高壓活門開度，最終影響高壓導(dǎo)葉角度控制偏差。

3 高壓導(dǎo)葉控制偏差試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)器改造

在原有地面試驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)增加對頂缸液壓加載系統(tǒng)和反饋機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 改造后試驗(yàn)器

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

給定主燃油泵調(diào)節(jié)器進(jìn)口溫度為15℃；根據(jù)發(fā)動機(jī)實(shí)際試車數(shù)據(jù)，通過調(diào)整主燃油泵調(diào)節(jié)器輸入的P31壓力給定主泵齒輪泵后壓力與發(fā)動機(jī)相當(dāng)，作為導(dǎo)葉驅(qū)動油源壓力；在轉(zhuǎn)速上升階段對作動筒給定正向載荷，轉(zhuǎn)速下降階段對作動筒給定逆向載荷，模擬發(fā)動機(jī)在實(shí)際工作過程中的載荷換向情況，在試驗(yàn)過程中給定不同的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，記錄齒輪泵后壓力、作動筒有桿腔/無桿腔壓力、加載作動筒有桿腔/無桿腔壓力、高壓導(dǎo)葉反饋刻度盤角度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)程序和結(jié)果

按如下程序開展試驗(yàn)：

（1）將主燃油泵調(diào)節(jié)器氣源壓力調(diào)為3 MPa；

（2）給定負(fù)載力為1000 N；

（3）對試驗(yàn)點(diǎn)逐漸提高主泵給定轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表1；

（4）記錄每個轉(zhuǎn)速點(diǎn)對應(yīng)的主泵導(dǎo)葉角度反饋刻度盤對應(yīng)的角度值；

（5）給定負(fù)載力為-1000 N，按表1要求試驗(yàn)點(diǎn)逐漸降低轉(zhuǎn)速，記錄主泵導(dǎo)葉角度反饋刻度盤對應(yīng)的角度值；

（6）調(diào)定主燃油泵調(diào)節(jié)器氣源壓力分別為4、6 MPa，重復(fù)步驟（2）～（5）。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過表1數(shù)據(jù)可得如下結(jié)論：

（1）負(fù)載力能夠?qū)е赂邏簩?dǎo)葉控制規(guī)律出現(xiàn)偏差，正向負(fù)載使高壓導(dǎo)葉制規(guī)律偏關(guān)，逆向負(fù)載使高壓導(dǎo)葉控制規(guī)律偏開；

（2）在相同試驗(yàn)條件下，載荷越大導(dǎo)葉偏差越大，±1000 N負(fù)載條件下的控制偏差約為6毅；

（4）在相同試驗(yàn)條件下，泵后壓力（導(dǎo)葉驅(qū)動油源壓力）越高，導(dǎo)葉控制規(guī)律偏差越小，泵后壓力由3 MPa提高到6 MPa，導(dǎo)葉控制規(guī)律偏差可減小8毅。

4 結(jié)束語

對某型發(fā)動機(jī)高壓導(dǎo)葉控制原理計(jì)算，并在試驗(yàn)器上通過液壓加載的方法驗(yàn)證了負(fù)載力對高壓角度控制系統(tǒng)偏差的影響方向和量值，為在發(fā)動機(jī)實(shí)際交付試車時出現(xiàn)的控制規(guī)律偏差大問題的排查和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，提高主燃油泵齒輪泵后壓力，即提高導(dǎo)葉控制系統(tǒng)的輸入油源壓力，有助于減小控制偏差。