某型燃氣輪機燃油及葉片角控制系統方案與仿真

王兆銘 ，榮芹芳 ，郝彬彬 ，巴德純

（1.東北大學機械工程與自動化學院，沈陽 110004；2.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

燃油系統是燃氣輪機的重要組成部分,其性能優劣對燃氣輪機工作狀態有直接影響。葉片角度控制精確度對燃氣輪機性能和安全起著至關重要的作用[1]。

燃油及葉片角控制系統與電子控制器共同構成全權限數控系統。在該系統設計中，仿真軟件起到越來越重要的作用。據報道，國外發動機控制系統的研制工作有90%以上是由數值仿真和回路仿真完成的。因此，應用仿真軟件可進行系統設計、分析和優化，能夠縮短燃氣輪機研制周期，降低研制成本。

本文提出了燃油及葉片控制系統方案，并采用AMESim仿真軟件進行了供油規律及應急控制規律仿真分析，為其詳細結構設計提供了依據，大大縮短了該系統研制周期。

1 燃油及葉片角控制系統方案

1.1 系統功能

（1）與電子控制器共同實現從起動到最大狀態的燃油流量控制；

（2）與電子控制器共同實現對低壓0級、Ⅰ級、Ⅱ級和高壓壓氣機靜子葉片的角度控制；

（3）具有應急斷油功能，保證燃氣輪機在發生故障時緊急停車,或系統斷電時快速切斷燃氣輪機的供油；

（4）限制系統最大壓力，避免系統發生故障時壓力過高；

（5）具有停車放油功能，即燃氣輪機正常停車后，自動將燃油總管中的余油放至漏油箱。

1.2 系統方案

燃油及葉片角控制系統方案由高壓燃油泵、燃油控制裝置、放油電磁閥、安全閥和葉片角控制裝置等元件組成，實現對燃油流量及葉片角等的控制。其原理如圖1所示。

高壓燃油泵安裝在燃氣輪機附件機匣上，與燃油控制裝置和葉片控制裝置通過管路連接，燃油控制裝置及葉片控制裝置與電子控制器構成全權限數控系統。高壓燃油泵的功能是向燃油控制裝置提供一定流量的高壓燃油，滿足燃油控制裝置調節流量所需要的燃油流量和壓力。燃油泵采用柱塞泵，作為定量泵使用，泵輸出的流量與轉速成正比。

燃油控制裝置由計量活門、壓差回油活門、電液伺服閥、定壓活門、放氣活門、應急電磁閥和放油電磁閥等元件組成，實現對燃油流量的控制。

壓差回油活門保持計量活門前、后的壓差恒定，使供油流量與計量活門的位置嚴格對應；電液伺服閥控制計量活門的開度，使計量活門穩定工作在需要的開度位置；放油活門用于發動機停車時將燃油總管中的燃油排至漏油箱，避免發動機內部積油；定壓活門用于提供定壓油；放氣活門用于排出殼體內的空氣，消除空氣對燃油系統性能的不利影響，內部還設有多個油濾，以保護內部的精密元件。

應急電磁閥正常工作時通電，將進、出口關閉，在正常停車或緊急停車時，應急閥斷電使計量活門在短時間內關閉。

放油電磁閥正常工作時通電，停車時斷電將分布器前的燃油快速放回低壓區。放油電磁閥和應急閥單獨工作時都具備迅速切斷供油的能力，二者同時使用可以提高停車斷油的可靠性。

葉片角控制裝置采用4個電液伺服閥實現對風扇和壓氣機葉片角度的控制功能。

1.3 系統控制原理

1.3.1 流量控制原理

電子控制器按燃氣輪機工作狀態需求輸出計量活門位移給定信號，并與計量活門位移反饋信號相比較，得到電液伺服閥控制電信號，電液伺服閥控制計量活門的開度，使計量活門穩定工作在需要的開度位置，達到控制燃氣輪機在不同狀態下所需燃油流量，構成閉環控制回路。

1.3.2 葉片角控制原理

由泵后高壓油提供油源，電子控制器根據燃氣輪機工作狀態需求輸出葉片角角度給定信號，與葉片角裝置上的位移傳感器反饋信號相比較后，得到電液伺服閥控制電信號，電液伺服閥控制作動筒腔壓力，從而改變葉片角角度，構成閉環控制回路。系統控制原理如圖2所示。

2 系統仿真研究

建立燃油及葉片角度控制系統仿真模型是研究燃氣輪機控制系統的重要環節之一。利用仿真技術可以對控制系統的各項性能進行分析和評估[2]。本文采用AMESim軟件建立系統仿真模型并進行仿真研究。AMESim軟件采用模塊化建模思想，提供了涵蓋眾多工程應用領域的大量模塊，可以較為方便地實現高精度燃油系統仿真模型。大量工程經驗表明，應用AMESim軟件建立的仿真模型具有很高的精度，可滿足燃氣輪機燃油系統的仿真要求，其仿真結果對實際產品設計具有重要的參考價值。最終建立的AMESim仿真模型如圖3所示。

2.1 結構優化仿真

燃氣輪機在起動階段對控制系統有較高的性能要求，通過仿真研究了燃油系統在起動階段的流量特性。仿真結果表明，燃油系統控油窗口的結構對流量特性有較大影響。最終優化得到控油窗口能夠實現理想的流量特性，如圖4所示。

2.2 計量活門動態控制特性仿真

電液伺服閥的流量對計量活門控制特性有顯著影響。設定不同流量的電液伺服閥進行了計量活門動態階躍性能仿真，以便得到合理范圍的伺服閥流量。對1組伺服閥流量在不同轉速下進行了階躍特性仿真，得到了令人滿意的結果。其中1種仿真曲線如圖5所示。

2.3 燃油控制裝置流量特性仿真

分別在燃氣輪機點火、慢車及最大轉速下，進行流量特性仿真，模擬其在點火、起動、穩態、加減速和最大轉速等工作狀態下的流量。仿真結果表明，在不同轉速下，供油流量控制穩定，性能良好，如圖6所示。

2.4 燃油控制裝置流量應急特性仿真

分別在點火、慢車及最大轉速時，控制器給應急閥和放油閥斷電，進行應急特性仿真。仿真結果表明，流量從穩態值下降至0的時間為0.2 s左右，可以保證燃氣輪機在緊急狀態下迅速切斷供油，實現緊急停車，如圖7所示。

3 結束語

本文介紹了某型燃氣輪機燃油及葉片角控制系統方案，并采用AMESim軟件開展了供油規律及應急控制規律的仿真研究。結果表明，該系統供油流量特性符合燃氣輪機總體要求，控制穩定可靠；應急流量特性可以在緊急狀態下迅速切斷供油而緊急停車，保證了燃氣輪機安全；燃油及葉片角控制系統可以滿足燃氣輪機臺架試車使用要求。

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