負載力對高壓導葉控制偏差影響試驗研究

劉燕忠

（海軍駐沈陽地區第二軍事代表室，沈陽110043）

0 引言

航空發動機的工作過程是復雜的氣動熱力過程，在其工作范圍內隨著發動機的工作條件和工作狀態的變化，發動機的氣動熱力過程將發生很大變化。為了保證壓氣機工作的穩定性以發揮發動機的最優性能，需對高壓壓氣機進口可調靜子葉片角度進行實時的控制。通過對葉片角度的調整，可以優化壓氣機的工作特性，提高發動機的喘振裕度，同時也對發動機的性能提升有積極影響。目前國內外常見的航空發動機控制系統包括機械液壓式控制系統、帶機械液壓備份的全權限數字式電子控制系統以及不帶液壓備份的全權限數字式電子控制系統等[1-2]。機械液壓式控制系統采用機械液壓式調節器加模擬式綜合電子調節器共同控制發動機的可控變量。某型發動機采用的就是此種類型的控制系統，此種控制系統易于實現，可靠性較高，能夠保證發動機在一定使用范圍內具有較好的性能。但受控制系統特性影響，無法實現復雜的控制計劃和控制規律，因此在使用過程中也暴露了一些問題。

在某航空發動機交付試車過程中，按試車程序要求對高壓導葉控制規律進行檢查，發動機狀態由慢車緩慢升至中間狀態，然后慢拉油門桿使發動機狀態由中間狀態緩慢降至慢車狀態，此過程中記錄高壓導葉角度控制規律一致性，要求控制規律相差不大于1毅。但在實際交付試車時多臺份發動機出現控制規律偏差大的問題。

本文基于某發動機高壓導葉控制原理[3-5]，利用地面試驗設備，采用對頂缸液壓加載的方式，開展負載力對高壓導葉控制偏差影響研究[6-12]。

1 高壓導葉控制原理和偏差情況

主燃油泵調節器齒輪泵后壓力Pn為驅動高壓導葉作動筒工作的油源壓力，P0為低壓回油壓力；導葉控制系統平衡時，活門處于中立位置。換算轉速變化時，換算轉速形成桿將換算轉速信號轉化為高壓活門的位移，高壓活門移動，從而改變導葉作動筒有桿腔和無桿腔的壓力，推動作動筒運動；反饋鋼索與導葉作動筒連接，作動筒運動帶動反饋凸輪轉動，將高壓活門拉回至中立位置，導葉在新的位置平衡，實現導葉角度按換算轉速變化的控制規律[13-14]。高壓角度控制系統結構原理如圖1所示。

圖1 高壓角度控制系統結構原理

在對某發動機按程序檢查高壓導葉轉速上升和下降過程的控制規律一致性時，出現角度偏差大的問題，最大相差約3毅，如圖 2 所示。

圖2 高壓導葉控制角度偏差

2 負載力對高壓導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構，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邊滑閥結構（圖1），對高壓活門進行理論計算[15-17]。

當高壓活門處于中立位置時，工作介質由節流口1、2流入，由節流口3、4流出，無介質流入作動筒。假設活門有正向位移y（定義向右方向為正），則節流口2、3開大，節流口1、4關小，此時通過4個節流口的流量分別為

式中：qv為通過截流口的流量；μ為流量系數；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

在系統穩定或緩慢推拉的準穩態過程，可認為qv,L=0，則有

可知，負載力大小影響高壓活門開度，最終影響高壓導葉角度控制偏差。

3 高壓導葉控制偏差試驗

3.1 試驗器改造

在原有地面試驗設備基礎上，設計增加對頂缸液壓加載系統和反饋機構，如圖3所示。

圖3 改造后試驗器

3.2 試驗設計

給定主燃油泵調節器進口溫度為15℃；根據發動機實際試車數據，通過調整主燃油泵調節器輸入的P31壓力給定主泵齒輪泵后壓力與發動機相當，作為導葉驅動油源壓力；在轉速上升階段對作動筒給定正向載荷，轉速下降階段對作動筒給定逆向載荷，模擬發動機在實際工作過程中的載荷換向情況，在試驗過程中給定不同的發動機轉速，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、高壓導葉反饋刻度盤角度等試驗數據。

3.3 試驗程序和結果

按如下程序開展試驗：

（1）將主燃油泵調節器氣源壓力調為3 MPa；

（2）給定負載力為1000 N；

（3）對試驗點逐漸提高主泵給定轉速，試驗結果數據見表1；

（4）記錄每個轉速點對應的主泵導葉角度反饋刻度盤對應的角度值；

（5）給定負載力為-1000 N，按表1要求試驗點逐漸降低轉速，記錄主泵導葉角度反饋刻度盤對應的角度值；

（6）調定主燃油泵調節器氣源壓力分別為4、6 MPa，重復步驟（2）～（5）。

表1 試驗數據

通過表1數據可得如下結論：

（1）負載力能夠導致高壓導葉控制規律出現偏差，正向負載使高壓導葉制規律偏關，逆向負載使高壓導葉控制規律偏開；

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

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

4 結束語

對某型發動機高壓導葉控制原理計算，并在試驗器上通過液壓加載的方法驗證了負載力對高壓角度控制系統偏差的影響方向和量值，為在發動機實際交付試車時出現的控制規律偏差大問題的排查和改進設計提供了數據支撐。根據試驗結果和理論分析，提高主燃油泵齒輪泵后壓力，即提高導葉控制系統的輸入油源壓力，有助于減小控制偏差。