航空發動機加力鎖定控制技術研究

侯玉峰，頡 龍

(1.空軍裝備部駐西安地區第九軍事代表室，西安 710077；2.空軍工程大學裝備管理與無人機工程學院，西安 710038)

1 引言

航空發動機控制系統是保障發動機實現功能、性能、可靠性的關鍵組成部分。隨著發動機技術的發展，傳統的機械液壓式控制系統早已不能滿足發展的需求[1]，如今大多采用全權限數字式電子控制系統(FADEC)[2]，以增加發動機的可靠性和效率。

某型航空發動機配裝單發飛機，為提高其可靠性，針對控制系統首次提出加力鎖定功能，在配裝發動機的噴口加力調節器上增加相關功能模塊。加力鎖定[3-4]功能的目的是，當發動機在加力狀態遭遇控制系統故障時，通過鎖定發動機當前狀態，防止飛機在起飛階段因故障退出加力狀態，致使發動機推力不足造成事故。當飛行員接通應急切加力電磁閥或下拉油門桿時，按序關閉加力外涵、內涵及起動三區計量活門，發動機退出加力狀態。

本文以AMESim 為仿真平臺，建立了加力鎖定控制數學模型，分析并確定了加力鎖定功能的影響因素，提出了加力鎖定控制設計方案，完成了加力鎖定功能模塊的結構設計，實現了加力鎖定功能。

2 加力鎖定控制機理

航空發動機加力狀態出現故障時，加力鎖定功能可以使發動機保持當前加力供油狀態，即加力燃油計量裝置中加力三區(起動、內涵、外涵)計量活門保持在當前計量位置不變(即加力燃油流量不變)。加力鎖定控制結構原理見圖1。

圖1 加力鎖定控制結構原理圖Fig.1 Schematic diagram of the control structure of the locking afterburner

控制系統正常工作時(加力鎖定電磁閥通電，應急切加力電磁閥斷電，油門桿處于加力域)，加力鎖定活門在定壓油的作用下移動至上止動位置，電子控制器根據發動機工作狀態輸出電信號給加力三區占空比電磁閥，然后此電磁閥改變加力起動、內涵、外涵計量活門控制腔壓力來調節計量活門位置(即控制加力燃油流量)，從而滿足發動機對加力三區燃油流量的需求。加力內、外涵計量活門結構見圖2。

圖2 加力內、外涵計量活門結構圖Fig.2 Metering slide valve structure diagram of afterburner

電子控制器故障時，加力鎖定電磁閥斷電，加力鎖定活門在液壓力的作用下下移至加力鎖定位置封閉三區計量活門控制腔，使三區計量活門保持當前位置，維持當前加力供油狀態，從而實現快速加力鎖定。加力鎖定活門控制結構原理見圖3。

圖3 加力鎖定活門控制結構原理圖Fig.3 Schematic diagram of the control structure of the locking afterburner valve

應急切加力電磁閥通電或油門桿下拉處于非加力域時，解除加力鎖定，加力鎖定活門繼續下移至下止動位置，并自動按序延遲切斷加力外涵、內涵、起動的供油。

3 加力鎖定控制性能仿真分析與計算

3.1 仿真分析

以AMESim 為仿真平臺，建立加力鎖定控制數學模型[5](圖4)，模擬加力鎖定及應急切加力狀態[6]。加力鎖定時，隔斷去往加力外涵、內涵、起動的控制燃油，保證三區計量活門位置不變。但是由于活門組件存在間隙泄漏(圖5)，且該泄漏量由加力鎖定活門間隙泄漏和加力外涵、內涵計量活門間隙泄漏組成，泄漏量的大小決定了加力鎖定維持的時間。隨著加力鎖定活門泄漏量的不斷增加，加力鎖定功能逐漸弱化。當泄漏量達到一定值時，加力鎖定功能失效(圖6)。由此可見，通過加力鎖定活門泄漏到加力內、外涵控制腔的泄漏量對內、外涵活門位移影響非常大，有效控制加力鎖定活門泄漏量是該套控制機構設計的關鍵因素。

圖4 加力鎖定控制數學模型Fig.4 The mathematical model of locking afterburner

圖5 加力鎖定活門間隙泄漏示意圖Fig.5 Schematic diagram of gap leakage of locking afterburner valve

圖6 加力鎖定狀態不同間隙條件下加力外涵計量活門位置仿真曲線Fig.6 The position simulation curves of the afterburner culvert metering valve under the condition of afterburner lock with different clearances

3.2 泄漏量計算

活門泄漏量計算公式見式(1)。

式中：q為容積流量，d為活門直徑，s為活門襯套間隙，Δp為壓差，v為液體運動黏度，ρ為液體密度，l為間隙密封長度。

通過計算，加力鎖定活門間隙泄漏量為1.30 ml/s，加力內、外涵計量活門間隙泄漏量約為0.17 ml/s。據此，在加力鎖定位置時，通過加力鎖定活門及加力內、外涵計量活門泄漏至控制腔的泄漏量為1.47 ml/s。加力內、外涵計量活門控制腔最大容積為15 ml，按此泄漏量計算，內、外涵加力鎖定時間最長僅能維持10 s，無法滿足發動機要求，需要盡可能減小加力鎖定活門的泄漏量。

4 加力鎖定控制設計方案

加力鎖定活門是加力鎖定控制核心部件，完成加力鎖定功能和應急按序切加力功能。加力鎖定活門在鎖定位置時，只有保證通往三區計量活門控制腔油路的密封性才能實現加力鎖定功能，而該密封性只能通過在加力鎖定活門上增加密封件來實現。

常用的密封件材料有石墨、橡膠、尼龍、工業塑料等[7]。通過對比不同密封件的結構、材料及其特性，加力鎖定活門密封件由O 型橡膠密封圈和塑料外套兩部分組成(圖7)[8]。圖8 示出了加力鎖定活門裝用密封件的結構。

圖7 密封件結構Fig.7 Structure of seals

圖8 加力鎖定活門裝用密封件的結構圖Fig.8 Schematic diagram of installation of seals for locking slide valves in afterburner

4.1 密封材料

由于加力鎖定活門上油路孔較多，為減小活門泄漏量，在控制腔油路兩端都設置了密封件。在活門往復運動過程中，密封件必須過孔，密封件中的塑料外套應有好的耐磨性，以保證長時間的密封可靠性。目前，常規材料(如聚四氟乙烯)在高溫高壓燃油工況下，其強度、耐磨性與熱尺寸穩定性等難以兼顧，無法滿足加力鎖定控制對過孔密封件的實際應用需求。聚合物材料已逐步開始在高性能發動機燃油泵調節器上應用，以替代傳統橡膠、銅合金、石墨等材料，制備高性能密封部件。利用聚合物材料的耐磨、自潤滑及燃油潤滑適應性等特性[9]實現特定部位的使用要求，以提升產品服役壽命與可靠性。

選用聚四氟乙烯和均聚甲醛樹脂兩種材料進行對比使用驗證。兩種材料的基本參數如表1 所示。利用兩種材料的密封件進行翻修間隔期內的加力鎖定次數×1.5 倍(約1 000 次)的等效試驗驗證。聚四氟乙烯材料密封件在試驗至50次時失效，無法保證翻修間隔期內的加力鎖定次數；均聚甲醛樹脂能保證1 000次鎖定次數。最終選定均聚甲醛樹脂為密封件塑料外套材料。

表1 兩種材料的基本參數對比Table 1 Comparison of the basic parameters of the two materials

4.2 加工工藝

由于密封件必須過孔，為防止襯套油路孔孔口尖邊毛刺刮傷密封件，需要對襯套油路孔孔口進行去除毛刺處理。因油路孔直徑小(一般在φ1～φ2)，襯套內孔小(φ10～φ15)，利用普通手工去除毛刺、光整加工去毛刺、電拋光去毛刺等加工工藝難以保證加工質量和一致性。磨粒流[10]加工是一種比較新的加工方式，使磨粒在一定壓力下流過所需加工表面，去除零件表面毛刺、飛邊。相比其他加工工藝，采用磨粒流去除細小毛刺具有精確性高、穩定性強、效率高的優點。在不影響活門性能的前提下，采用磨粒流去除孔口毛刺，孔口倒圓能做到R0.1～0.2且一致性良好。本文采用磨粒流去除孔口毛刺。

4.3 加力鎖定活門阻滯力

由于加力鎖定活門上增設了6 道密封件，加力鎖定活門在移動過程中受到的阻滯力必然會增加。通過計算O 型橡膠密封圈壓縮率，對加力鎖定活門的阻滯力進行限制，測得阻滯力在14～16 N 范圍內。加力鎖定活門處裝用的彈簧在正常加力供油狀態時，彈簧長度由42.0 mm 壓縮至33.4 mm，根據彈簧剛度5.8 N/mm，計算出彈簧力最小為50 N，遠大于增加的活門阻滯力。將裝配密封件的加力鎖定活門襯套放入低溫箱，在-30℃下保持30 min 后，測得活門阻滯力在8～9 N范圍內，活門移動靈活。

5 加力鎖定控制試驗驗證

對加力鎖定裝置進行試驗驗證。圖9為加力鎖定時加力三區計量活門位置曲線。可以看出，加力鎖定工作時，加力三區能夠在當前位置保持較長時間，功能、性能滿足要求。圖10 為系統給出應急切加力信號后的三區計量活門位置曲線。圖11 為隨發動機試車加力鎖定功能檢查情況。可見，發動機執行加力鎖定功能后，加力三區計量活門位置基本維持不變。

圖9 加力鎖定加力三區計量活門位置曲線Fig.9 Three-zone metering valve position curves for locking afterburner

圖10 應急切加力三區計量活門位置曲線Fig.10 Three-zone metering valve position curve in emergency cutting afterburner state

圖11 隨發動機試車加力鎖定功能檢查情況Fig.11 Check the situation of the afterburner locking function during vibration testing

為充分驗證加力鎖定功能的可靠性，先后通過振動試驗(圖12)、高低溫試驗(圖13)，驗證了極端條件下加力鎖定功能的可靠性和耐久性。

圖12 振動試驗條件下加力鎖定狀態三區計量活門位置曲線Fig.12 Position curves of three-zone metering valve under locking afterburner condition during vibration test

圖13 不同溫度下加力鎖定狀態三區計量活門的位置曲線Fig.13 Position curves of three-zone metering valve under locking afterburner condition at different temperatures

6 結束語

從加力鎖定需求入手，以AMESim 為仿真平臺建立了加力鎖定控制數學模型，進行了仿真分析，明確了實現加力鎖定功能需要解決間隙泄漏問題，并為此制定了采用O型橡膠密封圈和均聚甲醛樹脂外套的密封件結構的設計方案。圍繞密封件過孔問題，采用磨粒流去除襯套油路孔孔口尖邊毛刺，調整加力鎖定活門阻滯力，解決了可靠性問題。完成了加力鎖定功能的研制工作，滿足了發動機的功能需求。加力鎖定功能的成功，突破了測繪仿制的限制，完成了自主創新，實現了產品正向設計，為航空發動機控制系統的發展走出了一條全新的道路。