渦扇發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器部件級建模仿真

李鵬輝 張恕森 肖冬選 彭紅梅/成都航利（集團(tuán)）實(shí)業(yè)有限公司

0 引言

在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，液壓機(jī)械控制系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用對系統(tǒng)性能改進(jìn)與提高發(fā)揮著越來越重要的作用，相比于實(shí)際系統(tǒng)，該技術(shù)擁有可修改性強(qiáng)，可擴(kuò)展性大，可觀測性好，節(jié)約人力、物力，時間較短等優(yōu)勢。建立仿真模型能夠使技術(shù)人員更加深入明確地了解系統(tǒng)內(nèi)各部件的工作情況，獲得參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響，特別是對預(yù)測故障風(fēng)險、模擬故障現(xiàn)象的特征、定位故障、排除故障具有重要作用。

目前，國內(nèi)對液壓機(jī)械控制器的仿真研究多集中于單個零件，缺乏對部件級、系統(tǒng)級的研究。本文以某型渦扇發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器為研究對象，利用AMESim 軟件進(jìn)行部件級建模和仿真，并將輸出結(jié)果與該型發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)大綱進(jìn)行對比，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

1 AMESim 仿真軟件

AMESim 是法國IMAGINE 公司推出的一款高級建模和仿真軟件，可通過機(jī)械運(yùn)動學(xué)方程與液壓基礎(chǔ)方程定義液壓機(jī)械系統(tǒng)中的質(zhì)量、活塞腔、節(jié)流孔、管路、彈簧、杠桿等一系列基礎(chǔ)元件庫，并通過這些基礎(chǔ)元件庫建立控制系統(tǒng)仿真模型，具有面向?qū)ο?、建模方式簡單、?nèi)置大量經(jīng)驗(yàn)公式、工程實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)被各發(fā)動機(jī)、控制器研究所廣泛使用。

利用AMESim 實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)械控制系統(tǒng)的建模和仿真主要基于以下4 個過程：

1）sketch mode——從不同的應(yīng)用庫中選取現(xiàn)存的圖形。

2）submodel mode——為每個圖形選擇子模型（即給定合適的數(shù)學(xué)模型假設(shè)）。

3）parameter mode——為每個圖形模型設(shè)置特定的參數(shù)。

4）simulation mode——運(yùn)行仿真并分析仿真結(jié)果。

2 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器功能部件建模

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器由溫度放大與修正裝置、轉(zhuǎn)速給定裝置、轉(zhuǎn)速測量裝置、液壓放大器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示，其功用是：在節(jié)流狀態(tài)或最大和加力狀態(tài)因發(fā)動機(jī)綜合調(diào)節(jié)器故障改由液壓機(jī)械調(diào)節(jié)器工作時，根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)規(guī)律自動保持給定的轉(zhuǎn)速，當(dāng)油門桿位置改變時自動改變發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)。

2.1 溫度放大與修正裝置

溫度放大與修正裝置對測量的發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度進(jìn)行放大，并對轉(zhuǎn)速指令信號進(jìn)行溫度修正。由于發(fā)動機(jī)的飛行包線較廣，油門桿角度相同時，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器根據(jù)進(jìn)口溫度的不同，提供與發(fā)動機(jī)相匹配的轉(zhuǎn)速指令信號。

溫度放大與修正裝置由分油活門、活塞、齒條活塞、反饋杠桿、溫度凸輪、傳動軸、轉(zhuǎn)速控制桿等構(gòu)成，將由主（副）溫度傳感器輸出的溫度信號進(jìn)行放大，最后轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)處齒輪的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動溫度凸輪轉(zhuǎn)動，對穩(wěn)態(tài)的燃油量進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度升高時，分油活門左腔壓力增大，套筒左移，開大放油孔，齒條活塞左腔油壓隨放油孔的開大而減小，齒條活塞左移，帶動反饋杠桿逆時針轉(zhuǎn)動，反饋杠桿又使分油活門左移，關(guān)小放油孔。齒條活塞左腔油壓逐漸回升，直到達(dá)到新的平衡。同時，齒條活塞不斷左移，帶動齒輪順時針轉(zhuǎn)動，溫度凸輪隨之順轉(zhuǎn)。慢車狀態(tài)時，右半凸輪以和慢車轉(zhuǎn)速控制桿接觸點(diǎn)半徑變化的形式將信號依次傳遞給慢車轉(zhuǎn)速控制桿、下傳動軸、控制桿，經(jīng)彈簧作用于擺桿右側(cè)，影響擺動活門的開度；大于慢車轉(zhuǎn)速時，左半凸輪半徑變化由轉(zhuǎn)速控制桿、下傳動軸、控制桿傳遞到轉(zhuǎn)速控制器擺桿右側(cè)。溫度放大與修正裝置AMESim 模型如圖2 所示。

圖1 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 溫度放大與修正裝置AMESim模型

按照試驗(yàn)大綱要求，給圖2 所示模型輸入大小為0.343MPa 的溫度指令油壓，并平穩(wěn)增加至1.264MPa，整個試驗(yàn)過程的輸出結(jié)果均滿足大綱規(guī)定要求，初末時刻位移量見表1。

2.2 轉(zhuǎn)速給定裝置

座艙內(nèi)操縱油門桿帶動油門桿控制凸輪轉(zhuǎn)動，凸輪半徑的變化通過搖臂傳遞至轉(zhuǎn)速控制桿的下端，轉(zhuǎn)速控制桿以其與溫度凸輪的接觸點(diǎn)為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動，帶動下傳動軸移動，后經(jīng)控制桿、上傳動軸、小彈簧，作用于擺桿右側(cè)。例如，推油門桿時，油門桿控制凸輪半徑增大，搖臂逆時針方向轉(zhuǎn)動，帶動轉(zhuǎn)速控制桿順時針轉(zhuǎn)動，下傳動軸左移，經(jīng)控制桿使上傳動軸左移，從而壓縮轉(zhuǎn)速控制器小彈簧，增大作用在擺桿右端的彈簧力，擺桿左移，關(guān)小擺動活門回油口，隨動活塞上腔油壓增大，隨動活塞下移，發(fā)動機(jī)供油量增加，轉(zhuǎn)速增大。轉(zhuǎn)速給定裝置AMESim 模型如圖3 所示。

按照試驗(yàn)大綱要求，將油門桿置于12°，分別設(shè)置發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度為-60 ℃、-30 ℃、0 ℃、30 ℃、……、210℃，從慢車狀態(tài)開始向大角度方向推油門桿，對應(yīng)的擺動活門右側(cè)彈簧力輸出見圖4?？梢钥闯?，同一溫度下油門桿角度越大，對應(yīng)的彈簧力越大，與發(fā)動機(jī)控制規(guī)律及設(shè)計手冊 相符。

表1 溫度放大器活塞桿初末 時刻位移量

2.3 轉(zhuǎn)速測量裝置

轉(zhuǎn)速測量裝置由兩個離心飛重塊、飛重支架、傳動軸、頂桿等組成，用于感受發(fā)動機(jī)n2轉(zhuǎn)速信號，并將其轉(zhuǎn)換為離心飛重的換算離心力。當(dāng)發(fā)動機(jī)n2轉(zhuǎn)速增大時，離心飛重塊向大角度方向張開，作用于擺桿左側(cè)的換算離心力增大，擺桿向右擺動，使彈簧壓縮，彈簧彈力增大，直到達(dá)到新的平衡位置。轉(zhuǎn)速測量裝置的AMESim 模型如圖5。

圖3 轉(zhuǎn)速給定裝置AMESim模型

圖4 大于慢車轉(zhuǎn)速時不同溫度下的擺動活門彈簧力指令

2.4 液壓放大器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

液壓放大器由校正裝置、隨動活塞、帶擺桿的液壓分壓器等組成，擺桿位置控制著擺動活門的開度，隨動活塞上腔油液通過校正裝置后經(jīng)擺動活門回油，進(jìn)而使隨動活塞上腔油壓變化，隨動活塞上下移動，并通過連接支擋操縱計量活門開大或關(guān)小，改變?nèi)加土髁?。液壓放大器的AMESim 模型如圖6。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由隨動活塞和計量活門等組成，計量活門和供油量反饋凸輪、隨動活塞傳動搖臂裝在同一個軸上，由隨動活塞帶動旋轉(zhuǎn)。計量活門上有基本對稱的兩個特殊型孔，型孔的開度即燃油流通面積與計量活門的轉(zhuǎn)動角度或隨動活塞的位移量成指數(shù)關(guān)系。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的AMESim 模型如圖7。

3 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器仿真輸出

按照轉(zhuǎn)速控制器液壓機(jī)械系統(tǒng)工作原理，將上述各功能模塊通過接口連接，得到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器AMESim 模型，如圖8 所示。

由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器原理可知，穩(wěn)定狀態(tài)時，擺動活門處于中立狀態(tài)，擺桿左端的換算離心力等于右端的彈簧力。因此，以平衡狀態(tài)對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器的穩(wěn)態(tài)值進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證參數(shù)包括慢車均衡轉(zhuǎn)速溫度修正曲線、最大均衡轉(zhuǎn)速溫度修正曲線以及油門角度特性 曲線。

圖6 液壓放大器AMESim模型

圖7 執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分AMESim模型

按照試驗(yàn)大綱設(shè)置模型參數(shù)，對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器進(jìn)行仿真，圖9 為慢車均衡轉(zhuǎn)速溫度修正特性輸出結(jié)果，圖10為最大均衡轉(zhuǎn)速溫度修正特性輸出結(jié)果，圖11 為油門角度特性輸出結(jié)果，各特性曲線均在試驗(yàn)大綱規(guī)定的上下限范圍內(nèi)，表明穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器仿真輸出結(jié)果滿足試驗(yàn)大綱要求。

圖8 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器AMESim模型

圖9 慢車均衡轉(zhuǎn)速溫度修正

圖10 最大均衡轉(zhuǎn)速溫度修正

圖11 油門角度特性

4 結(jié)論

通過對渦扇發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器各功能部件工作原理和過程的分析，利用AMESim 建模軟件，對溫度放大及修正裝置、轉(zhuǎn)速給定裝置、轉(zhuǎn)速測量裝置、液壓放大器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等五個功能部件進(jìn)行建模，最終完成了穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器的部件級建模仿真，并由試驗(yàn)大綱驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。該模型能夠準(zhǔn)確反映穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器的實(shí)際工作過程，并以數(shù)據(jù)的方式更加精確直觀地展示，可為發(fā)動機(jī)實(shí)際修理提供理論指導(dǎo)和仿真支撐，為后期改型、故障診斷、性能提升等提供理論工具。