渦扇發動機穩態轉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）實業有限公司

0 引言

在航空發動機領域，液壓機械控制系統仿真技術的應用對系統性能改進與提高發揮著越來越重要的作用，相比于實際系統，該技術擁有可修改性強，可擴展性大，可觀測性好，節約人力、物力，時間較短等優勢。建立仿真模型能夠使技術人員更加深入明確地了解系統內各部件的工作情況，獲得參數變化對系統的影響，特別是對預測故障風險、模擬故障現象的特征、定位故障、排除故障具有重要作用。

目前，國內對液壓機械控制器的仿真研究多集中于單個零件，缺乏對部件級、系統級的研究。本文以某型渦扇發動機穩態轉速控制器為研究對象，利用AMESim 軟件進行部件級建模和仿真，并將輸出結果與該型發動機的試驗大綱進行對比，以驗證模型的準確性。

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，可通過機械運動學方程與液壓基礎方程定義液壓機械系統中的質量、活塞腔、節流孔、管路、彈簧、杠桿等一系列基礎元件庫，并通過這些基礎元件庫建立控制系統仿真模型，具有面向對象、建模方式簡單、內置大量經驗公式、工程實用性強等優點，在國內被各發動機、控制器研究所廣泛使用。

利用AMESim 實現液壓機械控制系統的建模和仿真主要基于以下4 個過程：

1）sketch mode——從不同的應用庫中選取現存的圖形。

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

3）parameter mode——為每個圖形模型設置特定的參數。

4）simulation mode——運行仿真并分析仿真結果。

2 穩態轉速控制器功能部件建模

穩態轉速控制器由溫度放大與修正裝置、轉速給定裝置、轉速測量裝置、液壓放大器和執行機構等組成，如圖1所示，其功用是：在節流狀態或最大和加力狀態因發動機綜合調節器故障改由液壓機械調節器工作時，根據給定的轉速調節規律自動保持給定的轉速，當油門桿位置改變時自動改變發動機的工作狀態。

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動機進口溫度進行放大，并對轉速指令信號進行溫度修正。由于發動機的飛行包線較廣，油門桿角度相同時，穩態轉速控制器根據進口溫度的不同，提供與發動機相匹配的轉速指令信號。

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、轉速控制桿等構成，將由主（副）溫度傳感器輸出的溫度信號進行放大，最后轉變為執行機構處齒輪的轉動，進而帶動溫度凸輪轉動，對穩態的燃油量進行調節。當發動機進口溫度升高時，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動，反饋杠桿又使分油活門左移，關小放油孔。齒條活塞左腔油壓逐漸回升，直到達到新的平衡。同時，齒條活塞不斷左移，帶動齒輪順時針轉動，溫度凸輪隨之順轉。慢車狀態時，右半凸輪以和慢車轉速控制桿接觸點半徑變化的形式將信號依次傳遞給慢車轉速控制桿、下傳動軸、控制桿，經彈簧作用于擺桿右側，影響擺動活門的開度；大于慢車轉速時，左半凸輪半徑變化由轉速控制桿、下傳動軸、控制桿傳遞到轉速控制器擺桿右側。溫度放大與修正裝置AMESim 模型如圖2 所示。

圖1 穩態轉速控制器結構原理圖

圖2 溫度放大與修正裝置AMESim模型

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

2.2 轉速給定裝置

座艙內操縱油門桿帶動油門桿控制凸輪轉動，凸輪半徑的變化通過搖臂傳遞至轉速控制桿的下端，轉速控制桿以其與溫度凸輪的接觸點為支點轉動，帶動下傳動軸移動，后經控制桿、上傳動軸、小彈簧，作用于擺桿右側。例如，推油門桿時，油門桿控制凸輪半徑增大，搖臂逆時針方向轉動，帶動轉速控制桿順時針轉動，下傳動軸左移，經控制桿使上傳動軸左移，從而壓縮轉速控制器小彈簧，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，發動機供油量增加，轉速增大。轉速給定裝置AMESim 模型如圖3 所示。

按照試驗大綱要求，將油門桿置于12°，分別設置發動機進口溫度為-60 ℃、-30 ℃、0 ℃、30 ℃、……、210℃，從慢車狀態開始向大角度方向推油門桿，對應的擺動活門右側彈簧力輸出見圖4。可以看出，同一溫度下油門桿角度越大，對應的彈簧力越大，與發動機控制規律及設計手冊 相符。

表1 溫度放大器活塞桿初末 時刻位移量

2.3 轉速測量裝置

轉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，用于感受發動機n2轉速信號，并將其轉換為離心飛重的換算離心力。當發動機n2轉速增大時，離心飛重塊向大角度方向張開，作用于擺桿左側的換算離心力增大，擺桿向右擺動，使彈簧壓縮，彈簧彈力增大，直到達到新的平衡位置。轉速測量裝置的AMESim 模型如圖5。

圖3 轉速給定裝置AMESim模型

圖4 大于慢車轉速時不同溫度下的擺動活門彈簧力指令

2.4 液壓放大器和執行機構

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擺動活門回油，進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小，改變燃油流量。液壓放大器的AMESim 模型如圖6。

執行機構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。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動角度或隨動活塞的位移量成指數關系。執行機構的AMESim 模型如圖7。

3 穩態轉速控制器仿真輸出

按照轉速控制器液壓機械系統工作原理，將上述各功能模塊通過接口連接，得到穩態轉速控制器AMESim 模型，如圖8 所示。

由穩態轉速控制器原理可知，穩定狀態時，擺動活門處于中立狀態，擺桿左端的換算離心力等于右端的彈簧力。因此，以平衡狀態對穩態轉速控制器的穩態值進行調試，驗證參數包括慢車均衡轉速溫度修正曲線、最大均衡轉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 執行機構部分AMESim模型

按照試驗大綱設置模型參數，對穩態轉速控制器進行仿真，圖9 為慢車均衡轉速溫度修正特性輸出結果，圖10為最大均衡轉速溫度修正特性輸出結果，圖11 為油門角度特性輸出結果，各特性曲線均在試驗大綱規定的上下限范圍內，表明穩態轉速控制器仿真輸出結果滿足試驗大綱要求。

圖8 穩態轉速控制器AMESim模型

圖9 慢車均衡轉速溫度修正

圖10 最大均衡轉速溫度修正

圖11 油門角度特性

4 結論

通過對渦扇發動機穩態轉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、轉速給定裝置、轉速測量裝置、液壓放大器、執行機構等五個功能部件進行建模，最終完成了穩態轉速控制器的部件級建模仿真，并由試驗大綱驗證了模型的準確性。該模型能夠準確反映穩態轉速控制器的實際工作過程，并以數據的方式更加精確直觀地展示，可為發動機實際修理提供理論指導和仿真支撐，為后期改型、故障診斷、性能提升等提供理論工具。