飛機動力裝置：燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)

燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)8.1概述8.1.1發(fā)動機控制系統(tǒng)的功用燃油流量控制根據(jù)發(fā)動機的不同狀態(tài)，將清潔的，無蒸氣的，經(jīng)過增壓的，計量好的燃油供給燃燒室控制中要求不能喘振；不能超溫；不能超轉(zhuǎn)；不能富油熄火；不能貧油熄火。為滿足上述安全限制，燃油調(diào)節(jié)器應(yīng)在這些限制之內(nèi)工作。放氣活門VBV（VariableBleedValve）和導(dǎo)向葉片VSV（VariableStatorVane）的控制。渦輪間隙TCC（TurbineClearanceControl）的控制燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)10.1.2發(fā)動機控制的內(nèi)容和方法推力控制根據(jù)發(fā)動機的工作狀態(tài)和飛機的飛行狀態(tài)，計量供給然燒室的燃油，獲得所需的推力。推力控制包括:轉(zhuǎn)速控制、壓比控制、反推力控制。過渡控制過渡控制的目的是使發(fā)動機過度過程能迅速、穩(wěn)定和可靠地進行。一般包括有:起動、加速和減速過程的控制及壓氣機的防喘控制。安全限制安全限制的目的是保證發(fā)動機安全正常的工作。防止超溫、超壓、超轉(zhuǎn)和超功率。安全限制系統(tǒng)只有當出現(xiàn)有超溫、超壓、超轉(zhuǎn)和超功率是才起作用而工作。燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)發(fā)動機工作限制在地面條件下工作時所受限制最大轉(zhuǎn)速貧油熄火渦輪前燃氣總溫的最高值壓氣機喘振邊界在空中條件下工作時高空低速時受燃燒室高空熄火的限制因為高空空氣稀薄，燃油霧化質(zhì)量差，難以穩(wěn)定燃燒低空高速時受壓氣機超壓限制燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)圖10-1發(fā)動機安全工作范圍

燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)10.1.3基本概念為了得到最有利的發(fā)動機工作狀態(tài)，最好能同時調(diào)節(jié)盡可能多的工作參數(shù)例如轉(zhuǎn)速，渦輪前燃氣總溫，通過發(fā)動機的空氣流量，燃燒室的余氣系數(shù)等但這要求在發(fā)動機上安裝大量的傳感器和調(diào)節(jié)器，從而使發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和使用變得很復(fù)雜通常是盡可能將被控參數(shù)的數(shù)目減少，即只調(diào)節(jié)決定發(fā)動機工作狀態(tài)的最基本的參數(shù)燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)控制相關(guān)概念控制對象被控制的技術(shù)對象稱為控制對象，如發(fā)動機控制器控制對象以外的，為完成控制任務(wù)的機構(gòu)的總合控制系統(tǒng)控制對象和控制器的總合稱為控制系統(tǒng)被控變量能表征被控對象（發(fā)動機）的工作狀態(tài)，又能被控制的變量稱為被控變量。如發(fā)動機的轉(zhuǎn)速可控變量能影響被控對象（發(fā)動機）的工作過程，用來改變被控變量大小的變量稱為可控變量對于渦噴發(fā)動機一般供油量為可控變量;對于渦槳發(fā)動機，一般供油量和槳葉角為可控變量燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)干擾量作用在被控對象或控制器上，能引起被控對象發(fā)生變化的外部作用量，如大氣溫度，大氣壓力（飛行高度，飛行馬赫數(shù)），大氣濕度等。給定量駕駛指令發(fā)動機控制方案根據(jù)外界條件（飛行高度和速度）或駕駛指令來改變可控變量，以保證發(fā)動機的被控變量不變或按預(yù)定規(guī)律變化，從而達到控制發(fā)動機推力的目的。組成發(fā)動機的控制系統(tǒng)由控制裝置和被控對象組成，組成控制裝置的主要元件有:敏感元件，放大元件，執(zhí)行元件，供油元件等。燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)閉環(huán)控制閉環(huán)控制的應(yīng)用被控對象-------發(fā)動機輸出變量n（即控制器的輸入量）外界干擾量燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)控制器組成敏感元件（即離心飛重）感受發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速指令機構(gòu)（即油門桿）它通過傳動臂，齒輪，齒套等來改變調(diào)準彈簧力，確定轉(zhuǎn)速的給定值放大元件（即分油活門）分油活門的位置由離心飛重的軸向力與指令機構(gòu)給定的調(diào)準彈簧力比較后的差值決定;執(zhí)行元件（即隨動活塞）它控制柱塞泵斜盤的角度，從而改變供油量供油元件（即燃油泵）燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)圖10-3閉環(huán)控制系統(tǒng)

燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程發(fā)動機穩(wěn)定工作時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和給定值相等，分油活門處于中立位置控制器各部發(fā)都處于相對靜止狀態(tài)當外界條件變化引起發(fā)動機的轉(zhuǎn)速增加（如何減小qmf）分油活門向上移動n增加敏感元件離心飛重的離心力變大，張角變大，其軸向力變大，大于調(diào)準彈簧力隨動活塞向下移動，使柱塞泵的斜盤角變小，供油量減少,使轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定值分油活門兩個突肩堵住的上下兩條油路打開隨動活塞的上腔與高壓油路相通下腔與回油路相通燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)如何通過調(diào)節(jié)油門給定轉(zhuǎn)速當推油門時，則通過傳動臂，齒輪，齒套等來改變調(diào)準彈簧力轉(zhuǎn)速給定值改變控制器相應(yīng)地調(diào)節(jié)供油量，將轉(zhuǎn)速調(diào)到給定值具體工作原理燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)閉環(huán)控制的優(yōu)缺點控制器感受的不是外界的干擾量，而是直接感受發(fā)動機（被控對象）的被控參數(shù)（轉(zhuǎn)速）當被控參數(shù)有了偏離后，才被控制器感受，再進行控制，使被控參數(shù)重新恢復(fù)到給定值由于它是按被控參數(shù)的偏離信號而工作的，故稱閉環(huán)控制的工作原理為偏離原理。它的優(yōu)點是控制比較準確，但控制不及時，滯后燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)開環(huán)控制控制器與發(fā)動機的關(guān)系以及信號傳遞的關(guān)系形成一個開路,故稱為開環(huán)控制系統(tǒng)被控對象的輸出量是發(fā)動機的轉(zhuǎn)速n，控制器的輸入量是干擾量f;而控制器的輸出量是qmf燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)敏感元件（膜盒）感受進氣總壓;進氣總壓是飛行高度和飛行馬赫數(shù)的函數(shù);指令機構(gòu)（油門桿）通過傳動臂，齒輪，齒套等來改變調(diào)準彈簧力，確定轉(zhuǎn)速的給定值;放大元件（檔板活門）檔板通過與膜盒相連的杠桿的作用來改變其開度執(zhí)行元件（隨動活塞）它控制柱塞泵斜盤的角度，從而改變供油量;供油元件（柱塞泵）燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)圖10-4開環(huán)控制系統(tǒng)

燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)工作原理當飛行高度增加時，進入發(fā)動機的空氣流量減少,同時也使PH＊減小，控制器和膜盒同時感受到這一干擾量的變化，于是膜盒膨脹,通過杠桿使檔板活門的開度增大，隨動活塞上腔的放油量增大，使隨動活塞上移并帶動柱塞泵的斜盤角變小,供油量減少與空氣流量的減少相適應(yīng)，從而保持轉(zhuǎn)速不變開環(huán)控制系統(tǒng)特點控制器和發(fā)動機同是感受外界的干擾量只要干擾量發(fā)生變化，控制器就相應(yīng)地改變可控變量qmf，以補償干擾量f對發(fā)動機所引起的被控參數(shù)n的變化，從而保持被控參數(shù)不變這種控制系統(tǒng)的控制工作原理為補償原理。這種控制系統(tǒng)控制及時，滯后較小，但由于不能感受所有的干擾量，故控制不太準確燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)復(fù)合控制:復(fù)合控制系統(tǒng)是開環(huán)和閉環(huán)控制的組合控制系統(tǒng)這種控制系統(tǒng)蒹有開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點，即控制及時(響應(yīng)快)又準確(精度高)，工作穩(wěn)定，但控制器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)10.2液壓機械式發(fā)動機控制系統(tǒng)發(fā)動機控制系統(tǒng)分類液壓機械式

監(jiān)控型電子式

全功能數(shù)字電子式液壓機械式及氣動機械式燃油控制器目前為止民用航空發(fā)動機上使用最多的控制器它有良好的使用經(jīng)驗和較高的可靠性它除控制供往燃燒室的燃油外，還操縱控制發(fā)動機可變幾何形狀，例如可調(diào)靜子葉片、放氣活門、放氣帶等，保證發(fā)動機工作穩(wěn)定和提高發(fā)動機性能燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)液壓機械式控制器計算是由凸輪、杠桿、滾輪、彈簧、活門等機械元件組合實現(xiàn)的，由液壓油源作為伺服油（控制油）氣動機械式調(diào)節(jié)器計算則是由薄膜、膜盒、連桿等氣動、機械元件組合進行的，使用壓氣機空氣作為伺服介質(zhì)10.2.1液壓機械式發(fā)動機控制系統(tǒng)組成低壓燃油泵，加熱器，主油泵，燃油濾，燃油控制器，流量傳感器，燃油／滑油熱交換器，增壓泄油活門，燃油總管，噴油嘴

燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)10.3監(jiān)控型電子控制從液壓機械式控制向數(shù)字電子控制的過渡在原有的液壓機械式控制器基礎(chǔ)上，再增加一個發(fā)動機電子控制器（EEC），兩者共同實施對發(fā)動機的控制在這種類型的發(fā)動機控制中液壓機械式控制器作為主控制器負責發(fā)動機的完全控制，包括啟動、加速、減速控制，轉(zhuǎn)速控制發(fā)動機電子控制具有監(jiān)督能力，對推力（功率）進行精確控制，并對發(fā)動機重要工作參數(shù)進行安全限制由于電子控制便于同飛機接口，易于推力管理，狀態(tài)監(jiān)視，以及信號顯示和數(shù)據(jù)儲存燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)10.4全權(quán)限數(shù)字電子控制(FADEC/EEC)FADEC全稱

fullauthoritydigitalelectroniccontrolFADEC應(yīng)用PW4000，V2500，RB211-524，GE90等全它發(fā)動機控制發(fā)展的最新水平，也是今后發(fā)展的方向FADEC組成FADEC系統(tǒng)是管理發(fā)動機控制的所有控制裝置的總稱發(fā)動機電子控制器EEC或電子控制裝置ECU是它的核心所有控制計算由計算機進行，然后通過電液伺服機構(gòu)輸出控制液壓機械裝置及各個活門、作動器等，因此液壓機械裝置是它的執(zhí)行機構(gòu)燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)10.4.1FADEC的功能1、發(fā)動機控制方面推力管理對發(fā)動機的推力進行精確的控制，提高了推力控制的精度燃油量的控制包括啟動、加速、減速、穩(wěn)態(tài)的流量控制；控制放氣活門（VBV）的開度和可調(diào)靜子葉片（VSV）的角度以得到最佳的喘振裕度，防止喘振使發(fā)動機更好地工作;渦輪間隙（TCC）控制控制發(fā)動機不同級的引氣，從而保證渦輪葉尖間隙為最佳間隙，減少漏氣損失，提高渦輪效率，提高發(fā)動機的性能;對發(fā)動機的燃油和滑油進行控制;對發(fā)動機的起動點火和反推進行控制;安全保護EEC使發(fā)動機的各主要參數(shù)不超限燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)2.滑油系統(tǒng)2.1功用：航空發(fā)動機的滑油系統(tǒng)主要有以下功用潤滑冷卻清潔防腐，此外，在有些動力裝置上，滑油還被用作其它工作系統(tǒng)的工作介質(zhì)?；偷臒崃靠梢宰鳛榉辣到y(tǒng)的熱源。燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)2.2滑油系統(tǒng)的組成（按部件分）滑油系統(tǒng)主要由滑油箱、增壓泵、滑油濾、回油泵、滑油散熱器、油氣分離器、指示系統(tǒng)和磁性堵塞等組成。2.3滑油系統(tǒng)的組成（按系統(tǒng)分）典型的發(fā)動機的滑油系統(tǒng)由壓力系統(tǒng)、回油系統(tǒng)和通氣系統(tǒng)三部分組成。

燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)3.起動系統(tǒng)3.1功用：在地面起動發(fā)動機時，與點火系統(tǒng)協(xié)同工作，使發(fā)動機起動點火，飛行時，點火系統(tǒng)單獨工作。

所有燃氣渦輪發(fā)動機的起動程序基本相同，但采用的方法可以不同。視發(fā)動機和飛機的要求不同，對起動系統(tǒng)的要求也不相同。軍用飛機要求發(fā)動機能在最短時間內(nèi)起動，并盡可能不依賴于外部設(shè)備；民用飛機則要求能用最經(jīng)濟的方法起動并對旅客的影響最小。雖然對起動系統(tǒng)的要求各不相同，但可靠性都是最重要的。燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)

3.2過程根據(jù)發(fā)動機起動過程中，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的扭矩與轉(zhuǎn)子阻力矩的變化情況，可以將起動過程分為三個階段：

第一個階段：由起動機開始帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起（n＝0），到渦輪開始發(fā)出功率時止（n＝n1）。在這個階段，帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)子加速的驅(qū)動力來自起動機，作用在轉(zhuǎn)子上的加速力矩為起動機輸出的扭矩與轉(zhuǎn)子阻力矩（主要包括氣動阻力矩、機械摩擦阻力矩以及傳動附件的力矩等）之差，即燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)

第二個階段：由渦輪開始發(fā)出功率時起（n＝n1），到起動機脫開時止（n＝n2）。在這個階段，帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)子加速的驅(qū)動力來自起動機和渦輪轉(zhuǎn)子，也就是起動機和渦輪轉(zhuǎn)子共同帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)子加速。發(fā)動機獲得的加速力矩為：燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)

第三個階段：由起動機脫開時起（n＝n2），到發(fā)動機進入慢車狀態(tài)時止（n＝ni）。在這個階段，帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)子加速的驅(qū)動力來自渦輪轉(zhuǎn)子，也就是由渦輪轉(zhuǎn)子單獨帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)子加速。這時發(fā)動機獲得的加速力矩為：

燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)3.3分類

燃氣渦輪發(fā)動機常用的起動機有：電動起動機、燃氣渦輪起動機和空氣渦輪起動機等幾種。電動起動機一般采用直流電動機作為電動起動機，如圖所示。優(yōu)點：使用、維護方便，尺寸小，易使起動過程自動化。缺點：重量大，起動扭矩不夠大，不適用于中、大型發(fā)動機，供它所需的機載蓄電瓶較重。另外，起動機的功率對外界氣溫與電壓的變化比較敏感。燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)電動起動機燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)燃氣渦輪起動機

燃氣渦輪起動機實際上是一臺完整的小型渦輪軸發(fā)動機，如圖所示。一般由單面單級離心式壓氣機、回流式燃燒室、單級向心式渦輪、單級動力渦輪、減速器、離合器等組成。除此之外，還應(yīng)有自己的燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、起動系統(tǒng)等。優(yōu)點：起動功率大、不依賴地面電源、可以多次重復(fù)使用。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜。燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)燃氣渦輪起動機燃氣渦輪發(fā)動機控制系統(tǒng)空氣渦輪起動機

空氣渦輪起動機屬于無壓氣機的渦輪起動機，由單級渦輪，減速器，離合器和傳動軸等組成，如圖所示?？諝鉁u輪所需的空氣，可來