直升機分級變轉速增壓泵供油性能仿真研究

楊小龍，趙立飛，蔣 輝

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

直升機供油系統主要是保證直升機在各種工作條件下向發動機可靠供油，在直升機所要求的工作包線內不應限制直升機的性能或給發動機的工作帶來不利影響。發動機燃油入口壓力受到在飛行剖面內的大氣壓力、燃油流量、直升機過載等多種因素影響，當增壓泵在一個固定的轉速不能滿足整個飛行剖面內的發動機燃油入口壓力工作范圍時，可采用變轉速增壓泵來實現發動機燃油入口壓力可控，滿足發動機燃油入口壓力要求。變轉速控制可分為無級變轉速和分級變轉速兩種方式。無級變轉速可實現增壓泵輸出壓力為恒定值，負載的任何變化，都會導致增壓泵的轉速變動；分級變轉速則是將增壓泵工作轉速設為幾個固定的轉速，實現壓力在一定的范圍內變化，當壓力超出指定范圍的變化值上下限時，增壓泵轉速才減小或增大到另一個轉速，從而使得增壓泵具有較好的工作效率。

無級變轉速在水力系統中恒壓控制的應用研究較多，如彭秀艷等人研究了機場飛機恒壓加油，根據加油系統的性能指標采用無級變頻調速技術，設計了一套基于可編程控制器(PLC)和WINCC的變頻恒壓加油試驗系統；詹莊春研究了采用一臺變頻器帶兩臺泵的一拖二模式的無級變頻調速恒壓供水系統；花元濤等人研究了采用一臺變頻器帶三臺泵的一拖三模式的“變頻循環”模式對電機進行無級變頻調速實現變頻恒壓灌溉控制；何武全等人研究了根據壓力等級進行灌溉分區，各分區采用不同的壓力等級分級恒壓自動控制的變頻調速分級恒壓灌溉自動控制系統。分級變轉速在水力系統中壓力控制的應用研究較少，易曉紅等人介紹了一種采用三個轉速工況點的分級交流變頻調速技術的航空變量泵的原理及設計過程。分級變轉速研究未涉及到分級變轉速之間轉速變化的動態特性。因此，本文針對直升機發動機對燃油入口壓力要求的范圍小于直升機過載變化等引起的負載變化范圍，且飛行剖面中飛行過載等因素引起的負載變化急劇，研究了一種分級變轉速增壓泵供油系統構型，探討了分級級數確定的方法，并以發動機對燃油入口壓力要求的范圍作為控制約束，對直升機大氣壓力、燃油流量和直升機過載等變化進行仿真，分析了分級變轉速增壓泵供油性能，同時探討了分級級數對發動機燃油入口壓力的影響。

1 分級變轉速控制原理

1.1 供油系統構型

根據某型直升機發動機燃油入口壓力需求，形成簡化的直升機供油系統構型。該供油系統由燃油箱、增壓泵、單向閥、燃油管路、壓力傳感器、變頻器和電機等組成。簡化的燃油系統構型如圖1所示。本文主要研究直升機垂直方向的過載對燃油系統的影響，因此只考慮垂直方向的過載。

圖1 簡化的供油系統構型

發動機燃油入口壓力可表示為：

=+--Δ=-

(1)

式中：—發動機燃油入口壓力；—增壓泵增壓壓力；—燃油箱內大氣壓力；—發動機入口之燃油箱液面凈高度管路的慣性阻力(壓力)；Δ—燃油系統管路和附件的沿程摩檫阻力和局部阻力；—除泵外的系統壓力，等于+Δ-。

由式(1)可知，發動機燃油入口壓力由增壓泵特性、燃油箱內大氣壓力和管路流阻特性決定。通常發動機對燃油入口的壓力要求是在要求的流量變化范圍內滿足最大和最小壓力要求。燃油箱內大氣壓力(反映了飛行高度)、管路慣性阻力(反映了過載)、沿程摩檫阻力和局部阻力(反映了溫度、流量、流體介質等)變化直接決定了增壓泵的選型：當發動機燃油入口壓力要求范圍較大時，燃油增壓泵可以在固定轉速運行，目前直升機的燃油系統基本上都是采用這種單一轉速的增壓泵；當發動機燃油入口壓力要求范圍較小，而燃油箱內大氣壓力(反映了飛行高度)、管路慣性阻力(反映了過載)、沿程摩檫阻力和局部阻力(反映了溫度、流量、流體介質等)變化范圍超過了燃油增壓泵定轉速的特性時，則可以采用分級變轉速增壓泵，以滿足飛行剖面要求。

1.2 分級變轉速控制原理

燃油系統增壓泵通常為離心泵。根據式(1)，分級變轉速控制是當離心泵出口的燃油箱內大氣壓力、慣性阻力和管路流阻特性發生變化時，通過調節離心泵的轉速來調節離心泵出口的壓力，使得離心泵出口的壓力達到要求的水平。如圖2，當燃油系統流量保持在，直升機的飛行高度和過載變化導致由增加到時，為保持發動機燃油入口壓力不變，需將燃油泵轉速從增加到，從而燃油泵出口壓力需由增加到；當由減小到，為保持發動機燃油入口壓力不變，需將燃油泵轉速從減小到，從而燃油泵出口壓力需由減小到。

圖2 燃油泵變轉速分級控制原理

2 分級級數的確定

確定燃油增壓泵分級時，首先要確定發動機燃油入口允許的壓力范圍，然后確定燃油系統在飛行剖面中各種工況導致的除泵外的系統壓力變化范圍。

通常發動機對燃油入口壓力的要求范圍為：Δ=-。式中：Δ—發動機燃油入口壓力允許變化范圍；—發動機燃油入口壓力要求的上限；—發動機燃油入口壓力要求的下限。

在飛行剖面中，大氣壓力會導致燃油箱內大氣壓力變化；飛行過載會導致發動機燃油入口至燃油箱液面凈高度管路的慣性阻力(壓力)變化；溫度、流量、流體介質的變化會導致燃油系統管路和附件的沿程摩擦阻力和局部阻力Δ變化，從而導致除泵外的系統壓力發生變化，如下式：

Δ=-

(2)

式中：Δ—除泵外的系統壓力變化大小；—除泵外的系統壓力上限；—除泵外的系統壓力下限。

根據式(1)，可得：

=+

(3)

根據式(3)，要求增壓泵的工作范圍為+到+之間，又要滿足在一定工況下發動機對入口的最小和最大壓力要求，因此，分級級數可用下式計算：

(4)

式中：Δ—增壓泵在某一固定轉速下，發動機要求的流量變化范圍內的增壓泵增壓壓力變化范圍；—余度系數，保證發動機入口的壓力范圍不超過系統要求。

在設計壓力分級級數時，增壓泵轉速分級可選取常用工況，即在多數工況下不進行變轉速控制，增壓泵轉速不變，設定該轉速為一個基準轉速。然后根據系統的特性，確定轉速最終分級級數(可等分也可不等分)。如圖3所示，在+到+之間分為、、、四級轉速。

圖3 增壓泵轉速分級級數示意圖

3 燃油系統數值建模及分析

3.1 仿真計算模型

在文獻[9]采用Matlab建立的某典型直升機供油系統模型基礎上，將PID控制改為分級變轉速控制。根據式(4)計算，將變轉速增壓泵轉速分為四級或三級。當增壓泵轉速分為四級時，仿真模型如圖4所示。該模型用于研究大過載變化情況下，變轉速增壓泵是否能夠及時響應發動機燃油入口壓力范圍上下限的變化，提供發動機要求的燃油流量和壓力。圖中主要包括燃油箱、增壓泵、單向閥、燃油管路、壓力傳感器、變頻器和電機、分段控制等元件以及過載系數、大氣壓輸入、流量接口等。當分級為三級時，則在Switch Case中去除一個Case，并修改相應的輸出轉速即可。

圖4 Matlab供油系統仿真模型

3.2 四級分級轉速供油特性

采用四級分級轉速控制，轉速分別為3600、4100、4700、5200 RPM，將發動機燃油入口壓力控制為1.57～2.37 bar；過載系數在-0.5～3.5之間變化；流量在0.9～3.6 m/s之間變化；飛行高度分別在0、2000、7000 m，對應的大氣壓力分別為101325、79485和41043 Pa。過載系數、流量、大氣壓力等參數曲線和增壓泵轉速、發動機燃油入口壓力仿真曲線如圖5。

圖5 四級分級轉速仿真結果

可知，在過載激烈變化時，當發動機燃油入口壓力到達下限時，轉速迅速提高到高一級，發動機燃油入口壓力迅速上升；當發動機燃油入口壓力到達上限時，轉速迅速降低到低一級，發動機燃油入口壓力迅速下降；發動機燃油入口壓力在1.57～2.37 bar之間變化，能滿足發動機對燃油入口壓力的要求。

圖6 分級轉速三級仿真結果

3.3 三級分級轉速供油特性

采用三級轉速控制，轉速分別為3600、4400、5200 RPM，將發動機燃油入口壓力控制為1.57～2.37 bar；過載系數在-0.5～3.5之間變化；流量在0.9～3.6 m/s之間變化；飛行高度分別在0、2000、7000 m，對應的大氣壓力分別為101325、79485和41043 Pa。流量、過載系數、大氣壓力等參數曲線和發動機燃油入口壓力、增壓泵轉速仿真曲線如圖6。可知，在過載激烈變化時，當發動機入口壓力到達下限時，轉速迅速提高到高一級，發動機入口壓力迅速上升；當發動機入口壓力到達上限時，轉速迅速降低到低一級，發動機入口壓力迅速下降；發動機燃油入口壓力在1.36～2.37 bar之間變化，超出了1.57～2.37 bar的范圍，不滿足發動機對燃油入口壓力要求。

3.4 四級、三級分級對比分析

四級分級轉速中轉速分別為3600、4100、4700、5200 RPM，三級分級轉速中轉速分別為3600、4400、5200 RPM。四級、三級分級轉速中，除轉速不同外，其它參數均一致，發動機燃油入口壓力和增壓泵轉速曲線如圖7。由圖可知三級轉速發動機燃油入口壓力超出要求主要是由于分級轉速之間跨度大，轉速延遲致使壓力超過下限。分級轉速多，級間轉速差小有利于壓力范圍的控制。

圖7 發動機燃油入口壓力和增壓泵轉速曲線

4 結論

本文研究了一種增壓泵分級變轉速供油系統構型；探討了分級級數確定的方法。利用Matlab建立了簡化的直升機供油系統數學模型，以發動機對燃油入口壓力要求的范圍作為控制約束，采用分級變轉速控制增壓泵，對直升機燃油流量、直升機過載和大氣壓力等變化進行了動態仿真分析。結果表明，在直升機燃油流量、直升機過載、大氣壓力等變化的過程中，采用分級變轉速的方法，發動機燃油入口壓力能夠滿足發動機要求。分級級數對發動機燃油入口壓力的影響較大，級間轉速差的大小直接影響響應時間。該研究為直升機供油系統的大過載變化率下發動機燃油入口壓力控制建模和仿真提供了一種思路和方法，同時對供油系統的設計具有一定的借鑒意義。