劉培培 ，馬 靜

（1.中國船舶集團(tuán)有限公司第705研究所，西安 710077；2.西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院，西安 710129）

0 引言

燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能和可靠性決定了整個航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)乃至發(fā)動機(jī)整體的性能與可靠性[1-3]。對于燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計與改進(jìn)，傳統(tǒng)方法主要通過知識和經(jīng)驗試制真實的零組件，構(gòu)成動態(tài)系統(tǒng)，然后通過試驗研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。采用這種方法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整改進(jìn)試驗要花費大量的人力、物力和時間。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，在設(shè)計、改進(jìn)中使用計算機(jī)對系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行仿真試驗成為可能。通過仿真研究系統(tǒng)的各種工況，確認(rèn)設(shè)計、改進(jìn)效果，可使得液壓組件、系統(tǒng)的缺陷在物理成型前就得到彌補(bǔ)，從而有效降低經(jīng)濟(jì)與時間成本[4]。液壓系統(tǒng)通常存在非線性因素，采用傳遞函數(shù)法等線性方法對其動態(tài)特性進(jìn)行分析具有一定的局限性；近年來，功率鍵合圖法[5-6]越來越多地應(yīng)用到液壓系統(tǒng)仿真研究中。鍵合圖是用圖形方式來描述系統(tǒng)中各元件間的相互關(guān)系，能夠反映元件間的負(fù)載效應(yīng)及系統(tǒng)中功率流動情況，還可以表示出與系統(tǒng)動態(tài)特性有關(guān)的信息，是建立動力學(xué)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型既簡單又簡明的辦法[7-8]。IMAGINE 公司基于功率鍵合圖方法開發(fā)的AMESim 軟件被廣泛應(yīng)用于液壓系統(tǒng)仿真研究中。

Bernardini[9]將AMESim 應(yīng)用于A380 客機(jī)前起落架伸縮系統(tǒng)的研發(fā)，模型仿真結(jié)果與試驗結(jié)果匹配好，可以指導(dǎo)該液壓系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，提高了研發(fā)效率；Maia 等[10]基于AMESim 開發(fā)了飛機(jī)液壓剎車系統(tǒng)模型，用于預(yù)測系統(tǒng)故障；張釗[11]提出了基于AMESim實現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)機(jī)、電、液一體化仿真方案；王彬等[12]將AMESim 用于加力燃油計量裝置建模研究，通過仿真分析了其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性；陳新中等[13]基于AMESim 建立燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，通過仿真對比故障現(xiàn)象，可排除大部分疑似的故障原因，減小試驗量，節(jié)省排故成本；楊元禎等[14]基于AMESim 建立燃油調(diào)節(jié)裝置模型，基于MATLAB 設(shè)計界面，搭建了燃油調(diào)節(jié)裝置可視化虛擬仿真平臺；柳海波等[15]基于AMESim 搭建了商用航空發(fā)動機(jī)燃油分配模型，通過試驗數(shù)據(jù)對比證實模型仿真與燃油分配實際工作狀態(tài)一致。上述研究表明將AMESim 應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真是可行的。

本文根據(jù)功率鍵合圖法建模的需求對核心部件工作機(jī)理和受力情況進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用AMESim 建立該型渦槳發(fā)動機(jī)燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，進(jìn)而通過仿真研究探索提高系統(tǒng)供油量的改進(jìn)方案。

1 燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡介

某型渦槳發(fā)動機(jī)機(jī)械液壓控制系統(tǒng)采用閉式恒轉(zhuǎn)速，開式等功率的復(fù)合調(diào)節(jié)。由螺槳調(diào)速器實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)開式等功率調(diào)節(jié)。燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理

從圖中可見，燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過感知進(jìn)入發(fā)動機(jī)的氣流參數(shù)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速反饋、油門桿角度，自動實現(xiàn)對油門開關(guān)開度的綜合調(diào)整，使得進(jìn)入渦槳發(fā)動機(jī)的供油量滿足其在全飛行包線和各種工作狀態(tài)下的需求。

2 子系統(tǒng)分析與建模

2.1 供油執(zhí)行子系統(tǒng)

供油執(zhí)行子系統(tǒng)保證向發(fā)動機(jī)提供各狀態(tài)下的燃油需求，由齒輪泵、單向活門、燃油濾、剩油回油活門、壓差活門、油門開關(guān)等組件構(gòu)成，供油執(zhí)行子系統(tǒng)工作原理如圖2 所示，輸入量中的油門開關(guān)轉(zhuǎn)動量和油門開關(guān)平動量為與另外2個子系統(tǒng)之間的接口。

圖2 供油執(zhí)行子系統(tǒng)工作原理

為了建立子系統(tǒng)的模型，首先對其中各組件的工作原理進(jìn)行分析，以核心組件油門開關(guān)、剩油回油活門為例。

2.1.1 油門開關(guān)

油門開關(guān)結(jié)構(gòu)原理如圖3 所示。油門開關(guān)在襯筒內(nèi)運動，輸入信號作用于拉桿，而拉桿又通過軸向移動和徑向轉(zhuǎn)動來改變節(jié)流開關(guān)開度大小，以此來實現(xiàn)對供油量的控制，流量為

圖3 油門開關(guān)結(jié)構(gòu)原理

式中：Cx為流量系數(shù)；a為油門開關(guān)的徑向位移；xx為油門開關(guān)的軸向線性位移；Ax為油門開關(guān)油窗面積；ρ為燃油密度；p1-pL為限流口前后壓差。

油門開關(guān)受力情況分析如下。

徑向受力方程為Tg-Tr=Gθ，其中Tg為節(jié)流開關(guān)的輸入力矩；Tr為節(jié)流開關(guān)的消耗力矩；G為負(fù)載系數(shù)；θ為節(jié)流開關(guān)軸向轉(zhuǎn)角。

軸向受力方程為pzA1=p0A2，其中pz、p1分別為A1油門開關(guān)左腔與右腔油壓；A1、A2分別為油門開關(guān)左腔與右腔油壓的有效面積。

基于流量分析和受力分析，在AMESim 平臺建立油門開關(guān)模型，如圖4所示。

圖4 油門開關(guān)模型

2.1.2 剩油回油活門

剩油回油活門相當(dāng)于液壓系統(tǒng)中的溢流閥，溢流閥是常用的壓力控制閥。其特點是根據(jù)閥芯受力平衡的原理，利用受控液流的壓力對閥芯的作用力與其它作用力（主要是彈簧力）的平衡條件，來調(diào)節(jié)閥的開口量以改變液阻的大小，從而達(dá)到控制液流壓力的作用。剩油回油活門結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

圖5 剩油回油活門結(jié)構(gòu)原理

剩油回油活門通過回油保證等壓差活門前的油壓保持不變，回油流量為

式中：Cb為流量系數(shù)；Ab為閥口面積；x1為活門位移；d為活門直徑；ps、p0分別為活門前后油壓。

剩油回油活門受力平衡情況為

式中：pL0為剩油回油活門右腔油壓；A1為活門截面積；k1為彈簧彈性系數(shù)；x1為彈簧壓縮量。

基于流量分析和受力分析，在AMESim 平臺建立剩油回油活門模型如圖6所示。

圖6 剩油回油活門模型

在對各組件分析建模的基礎(chǔ)上，建立了供油執(zhí)行子系統(tǒng)模型，如圖7所示。

圖7 供油執(zhí)行子系統(tǒng)模型

2.2 指令控制子系統(tǒng)

指令控制子系統(tǒng)由液壓延遲器、控制軸以及搖臂、杠桿等機(jī)構(gòu)組成。其工作原理為根據(jù)油門桿角度控制油門開關(guān)的轉(zhuǎn)動量以改變供油量，指令控制子系統(tǒng)工作原理如圖8所示。

圖8 指令控制子系統(tǒng)工作原理

指令控制子系統(tǒng)組件較為簡單，限于篇幅，略去分析過程。在AMESim 平臺建立指令控制子系統(tǒng)模型如圖9所示。

圖9 指令控制子系統(tǒng)模型

2.3 飛行修正子系統(tǒng)

飛行修正子系統(tǒng)由感溫棒、膜盒、搖臂、撥桿、分油活門、隨動活塞、拉桿等組成。其工作原理為通過感受代表飛行條件的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣總壓p*1和總溫T*1，自動調(diào)整油門開關(guān)的平動量，修正供油量，飛行修正子系統(tǒng)工作原理如圖10所示。

圖10 飛行修正子系統(tǒng)工作原理

在AMESim 平臺建立飛行修正子系統(tǒng)模型如圖11所示。

圖11 飛行修正子系統(tǒng)模型

3 系統(tǒng)模型驗證與改進(jìn)

3.1 系統(tǒng)模型綜合與仿真驗證

以3 個子系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，考慮子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)和相互作用，綜合建立了該型燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，如圖12所示。

圖12 某型渦槳發(fā)動機(jī)燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型

該模型在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣總壓為101325 Pa，總溫為275 K 的條件下，針對對應(yīng)油門桿角度從0°上升到100°的變化情況進(jìn)行了仿真，供油量隨油門桿角度變化如圖13所示。

圖13 供油量隨油門桿角度變化

供油量隨油門桿角度變化試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比見表1。

表1 供油量隨油門桿角度變化試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比

表中，α為油門桿角度；G1為試驗實測供油量值；G2為模型仿真得到的供油量。從表中可見，模型仿真得到的供油量與試驗實測值一致性較好，誤差絕對值不超過2%。在其它發(fā)動機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)下的仿真驗證有類似的結(jié)果，限于篇幅，不再贅述。

3.2 系統(tǒng)改進(jìn)方案仿真

該型燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)在實際使用中存在供油量低于發(fā)動機(jī)實際需求供油量的問題，按照改進(jìn)要求，供油量應(yīng)提高17.5%。由以上分析可知，供油量受到指令控制子系統(tǒng)和飛行修正子系統(tǒng)的共同調(diào)節(jié)作用，所以直接修改供油執(zhí)行子系統(tǒng)是首選的改進(jìn)途徑。

根據(jù)式（1）可知，可以通過修改油門開關(guān)前后壓差Δp或其油窗面積Ax來提高供油量。根據(jù)工程經(jīng)驗，如果修改油門開關(guān)前后壓差Δp，會使得系統(tǒng)的壓力分布發(fā)生改變，可能產(chǎn)生較大的影響，增加改進(jìn)工作的復(fù)雜程度?；诖?，采用修改油門開關(guān)油窗面積Ax的改進(jìn)方案研究。

首先，為了驗證系統(tǒng)能否保持正常工作，仿真研究了油窗面積調(diào)整對等壓差活門前后壓差的影響。在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣總壓為101325 Pa，總溫為275 K，油門桿角度為100°的條件下，逐步調(diào)整油窗面積為原面積的0.7～1.6 倍，油窗面積修改對等壓差活門壓差的影響如圖14所示。

從圖中可見，修改油窗面積之后等壓差活門前后壓差變化很小，基本保持原有數(shù)值。在其它狀態(tài)下也有類似的結(jié)果。從而可知，采用修改油窗面積的改進(jìn)方案對系統(tǒng)壓力分布影響小，是工作量較小的簡單方案。

通過調(diào)整所建立的模型中油門開關(guān)油窗面積進(jìn)行仿真試驗可得將油窗面積調(diào)整為其原面積的1.1765 倍是1 個可行的改進(jìn)方案，面積的增加通過將油窗形狀由矩形修改為直角梯形實現(xiàn)，梯形的底平行于油門開關(guān)，梯形直腰位于平動量調(diào)整側(cè)，斜腰由原矩形邊繞頂點向外擴(kuò)充而來。修改后，對于相同飛行條件下指令控制子系統(tǒng)同樣的油門桿角度增量，供油量增量與原有情況相比成比例增大；同時，飛行修正子系統(tǒng)對燃油流量的調(diào)整量不受影響，即飛行條件變化帶來的供油量調(diào)整量保持不變。

在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣總壓為101325 Pa，總溫為275 K的條件下，在AMESim 模型中修改油窗面積為原來的1.1765倍，改進(jìn)前后的供油量隨油門桿角度變化情況如圖15所示。

圖15 油窗改進(jìn)前后供油量隨油門桿角度的變化

改進(jìn)前后供油量隨油門桿角度變化的仿真結(jié)果見表2。表中，G1為試驗實測供油量值；G2為改進(jìn)前模型仿真得到的供油量；G3為修改后模型仿真得到的供油量；ΔG由（G3-G2）/G2計算得出，為系統(tǒng)改進(jìn)前后仿真得出的供油量增加的百分比。從表中可見，系統(tǒng)改進(jìn)后的供油量增加了16.48%~17.8%，基本滿足實際需求的17.5%供油增加量。

表2 改進(jìn)前后供油量隨油門桿角度變化仿真結(jié)果

4 結(jié)論

（1）基于功率鍵合圖法的AMESim 軟件平臺仿真分析與試驗實測情況符合較好，用于燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)改進(jìn)可節(jié)省時間和經(jīng)濟(jì)成本；

（2）通過仿真分析給出了增大油窗面積的改進(jìn)方案，可用于指導(dǎo)改進(jìn)件實體試制，需要注意的是，采用改進(jìn)方案擴(kuò)大油門開關(guān)的油窗面積后需要重新校核油門開關(guān)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。