航空发动机控制系统.ppt

第8章 发动机控制系统 8.1 概述 8.1.1 发动机控制系统的功用 燃油流量控制 根据发动机的不同状态，将清洁的，无蒸气的，经过增压的，计量好的燃油供给燃烧室控制中要求不能喘振；不能超温；不能超转；不能富油熄火；不能贫油熄火。为满足上述安全限制，燃油调节器应在这些限制之内工作。放气活门VBV（Variable Bleed Valve）和导向叶片VSV（Variable Stator Vane）的控制。涡轮间隙TCC（Turbine Clearance Control）的控制 8.1.2 发动机控制的内容和方法推力控制根据发动机的工作状态和飞机的飞行状态，计量供给然烧室的燃油，获得所需的推力。推力控制包括:转速控制、压比控制、反推力控制。过渡控制过渡控制的目的是使发动机过度过程能迅速、稳定和可靠地进行。一般包括有:起动、加速和减速过程的控制及压气机的防喘控制。安全限制安全限制的目的是保证发动机安全正常的工作。防止超温、超压、超转和超功率。安全限制系统只有当出现有超温、超压、超转和超功率是才起作用而工作。发动机工作限制在地面条件下工作时所受限制最大转速贫油熄火涡轮前燃气总温的最高值压气机喘振边界在空中条件下工作时高空低速时受燃烧室高空熄火的限制因为高空空气稀薄，燃油雾化质量差，难以稳定燃烧低空高速时受压气机超压限制图图10-1 10-1 发动机安全工作范围发动机安全工作范围 8.1.3 基本概念为了得到最有利的发动机工作状态，最好能同时调节尽可能多的工作参数例如转速，涡轮前燃气总温，通过发动机的空气流量，燃烧室的余气系数等但这要求在发动机上安装大量的传感器和调节器，从而使发动机的结构和使用变得很复杂通常是尽可能将被控参数的数目减少，即只调节决定发动机工作状态的最基本的参数 控制相关概念控制对象被控制的技术对象称为控制对象，如发动机 控制器控制对象以外的，为完成控制任务的机构的总合控制系统控制对象和控制器的总合称为控制系统被控变量能表征被控对象（发动机）的工作状态，又能被控制的变量称为被控变量。如发动机的转速可控变量能影响被控对象（发动机）的工作过程，用来改变被控变量大小的变量称为可控变量对于涡喷发动机一般供油量为可控变量;对于涡桨发动机，一般供油量和桨叶角为可控变量干扰量作用在被控对象或控制器上，能引起被控对象发生变化的外部作用量，如大气温度，大气压力（飞行高度，飞行马赫数），大气湿度等。给定量驾驶指令发动机控制方案根据外界条件（飞行高度和速度）或驾驶指令来改变可控变量，以保证发动机的被控变量不变或按预定规律变化，从而达到控制发动机推力的目的。组成发动机的控制系统由控制装置和被控对象组成，组成控制装置的主要元件有:敏感元件，放大元件，执行元件，供油元件等。闭环控制闭环控制的应用被控对象-发动机输出变量n（即控制器的输入量）外界干外界干扰量扰量控制器组成敏感元件（即离心飞重）感受发动机的实际转速 指令机构（即油门杆）它通过传动臂，齿轮，齿套等来改变调准弹簧力，确定转速的给定值放大元件（即分油活门）分油活门的位置由离心飞重的轴向力与指令机构给定的调准弹簧力比较后的差值决定;执行元件（即随动活塞）它控制柱塞泵斜盘的角度，从而改变供油量供油元件（即燃油泵）图图10-3 10-3 闭环控制系统闭环控制系统 闭环控制系统的工作过程发动机稳定工作时发动机的转速和给定值相等，分油活处于中立位置控制器各部发都处于相对静止状态当外界条件变化引起发动机的转速增加（如何减小qmf）分油活门向上移动n增加敏感元件离心飞重的离心力变大，张角变大，其轴向力变大，大于调准弹簧力随动活塞向下移动，使柱塞泵的斜盘角变小，供油量减少,使转速恢复到给定值 分油活门两个突肩堵住的上下两条油路打开随动活塞的上腔与高压油路相通下腔与回油路相通如何通过调节油门给定转速当推油门时，则通过传动臂，齿轮，齿套等来改变调准弹簧力转速给定值改变控制器相应地调节供油量，将转速调到给定值具体工作原理 思考闭环控制的优缺点控制器感受的不是外界的干扰量，而是直接感受发动机（被控对象）的被控参数（转速）当被控参数有了偏离后，才被控制器感受，再进行控制，使被控参数重新恢复到给定值由于它是按被控参数的偏离信号而工作的，故称闭环控制的工作原理为偏离原理。它的优点是控制比较准确，但控制不及时，滞后开环控制控制器与发动机的关系以及信号传递的关系形成一个开路,故称为开环控制系统被控对象的输出量是发动机的转速n，控制器的输入量是干扰量f;而控制器的输出量是qmf敏感元件（膜盒）感受进气总压;进气总压是飞行高度和飞行马赫数的函数;指令机构（油门杆）通过传动臂，齿轮，齿套等来改变调准弹簧力，确定转速的给定值;放大元件（档板活门）档板通过与膜盒相连的杠杆的作用来改变其开度执行元件（随动活塞）它控制柱塞泵斜盘的角度，从而改变供油量;供油元件（柱塞泵）图图10-4 10-4 开环控制系统开环控制系统 开环控制系统工作原理当飞行高度增加时，进入发动机的空气流量减少,同时也使PH减小，控制器和膜盒同时感受到这一干扰量的变化，于是膜盒膨胀,通过杠杆使档板活门的开度增大，随动活塞上腔的放油量增大，使随动活塞上移并带动柱塞泵的斜盘角变小,供油量减少与空气流量的减少相适应，从而保持转速不变 开环控制系统特点控制器和发动机同是感受外界的干扰量只要干扰量发生变化，控制器就相应地改变可控变量qmf，以补偿干扰量f对发动机所引起的被控参数n的变化，从而保持被控参数不变这种控制系统的控制工作原理为补偿原理。这种控制系统控制及时，滞后较小，但由于不能感受所有的干扰量，故控制不太准确复合控制:复合控制系统是开环和闭环控制的组合控制系统这种控制系统蒹有开环和闭环控制系统的优点，即控制及时(响应快)又准确(精度高)，工作稳定，但控制器的结构较复杂。8.2 液压机械式发动机控制系统发动机控制系统分类液压机械式 监控型电子式 全功能数字电子式液压机械式及气动机械式燃油控制器目前为止民用航空发动机上使用最多的控制器它有良好的使用经验和较高的可靠性它除控制供往燃烧室的燃油外，还操纵控制发动机可变几何形状，例如可调静子叶片、放气活门、放气带等，保证发动机工作稳定和提高发动机性能液压机械式控制器计算是由凸轮、杠杆、滚轮、弹簧、活门等机械元件组合实现的，由液压油源作为伺服油（控制油）气动机械式调节器计算则是由薄膜、膜盒、连杆等气动、机械元件组合进行的，使用压气机空气作为伺服介质8.2.1液压机械式发动机控制系统组成 低压燃油泵，加热器，主油泵，燃油滤，燃油控制器，流量传感器，燃油滑油热交换器，增压泄油活门，燃油总管，喷油嘴 组成各部件的功用低压燃油泵向发动机高压泵提供所需燃油压力和流量加热器热空气来自压气机，对燃油加热，防止燃油结冰主油泵给燃油增压。分为柱塞泵和齿轮泵两种，它们都属于容积泵燃油控制器根据发动机的工作状态和飞机的飞行状态，计量供给然烧室的燃油燃油滑油热交换器加热燃油，同时冷却滑油燃油喷嘴:雾化燃油，分为雾化型（双路离心式喷嘴）、气动式和蒸发型等增压/泄油活门(PD活门)增压活门在供油压力大于预定值时打开（一般在慢车之前），停车时和低转速时关闭。工作时增压使燃油在预定压力下流入燃油总管，控制到副油路的燃油流量，起到分配活门的作用;泄油活门停车时打开将燃油总管中的燃油放回到油箱。发动机工作时关闭。燃油滤由油滤，旁通活门和压差电门组成旁通活门的功用是当油滤堵塞或油滤进出口的压差达到一定数值时打开，直接供油压差电门的功用是当油滤堵塞或油滤进出口的压差达到一定数值时接通，警告灯亮。但发动机仍能正常工作，只是指出油滤堵塞应清洗油滤8.2.2 燃油泵油泵是一种将机械能转变成压力能的机械航空发动机中油泵分类（根据用途划分）燃油泵、滑油泵、液压泵等燃油泵的功用燃油经燃油泵增压后，供往发动机喷嘴高压燃油还作为能源，用来驱动执行元件油泵的分类（根据增压原理划分）容积式泵叶轮式泵(1)容积式泵 容积式泵是依靠泵的抽吸元件作相对运动，交替改变元件间的自由容积进行吸油、排油的供油量取决于元件一次循环运动中自由容积变化的大小。在一定的供油量下，泵根据出口处的液体流动阻力来建立压力。这类泵在航空发动机上应用最广，如：柱塞泵、齿轮泵、旋板泵（叶片泵）叶轮式泵 叶轮式泵是依靠叶轮作旋转运动，使经过叶轮的液体增加动能和压力能，在叶轮后的扩压器中再将液体的动能部分滞止，转化为压力能。这类泵有离心泵、汽心泵、螺旋泵。目前民航发动机上用的最多的是渐开线直齿外啮合齿轮泵和轴向倾斜式变量柱塞泵以及旋板泵和离心泵。齿轮泵(容积式泵)定量泵，工作容积不可调。流量和转速有一一对应关系当转速不变时，供油量通过旁通回油节流调节齿轮泵的供油量始终高于需油量，超出需要的油量返回油泵进口。柱塞泵(容积式泵)供油量不仅取决于转速还取决于斜盘角度转速不变时，供油量通过改变斜盘角度容易调节，这是它的主要优点。图图10-8 10-8 齿轮泵齿轮泵 图图10-9 10-9 柱塞泵柱塞泵 离心泵离心泵 8.2.3 燃油控制器功用 感受各种参数，按照驾驶员的要求，向燃烧室供应足够的燃油，使发动机产生需要的推力控制器按照预先确定的供油计划，作为油门杆角度、压气机出口压力、压气机进口温度和发动机转速的函数调节供油量。组成计量系统计算系统计量系统 功用按照驾驶员要求的推力，根据发动机的工作状态和飞机的飞行状态，在发动机的工作限制之内，依据计算系统计算的流量向燃烧室供应燃油 实现方法由压力调节活门用来感受计量活门进、出口的压力，保持压差不变，使供油量只与计量活门的流通面积有关 组成粗油滤和细油滤、计量活门、压力调节活门、最小压力和切断活门、风车旁路和停车活门、自动储备推力和环境压力伺服等部件。计算系统 功用感受各种参数，在发动机所有工作阶段控制计量部分的输出感受参数有发动机转速，压气机出口总压，压气机出口总温，压气机进口总温，油门杆角度等组成计算系统由压气机出口压力传感器、压气机出口压力限制器、转速调节器、压气机进口温度传感器及操纵机构等组成 8.3 监控型电子控制从液压机械式控制向数字电子控制的过渡在原有的液压机械式控制器基础上，再增加一个发动机电子控制器（EEC），两者共同实施对发动机的控制在这种类型的发动机控制中液压机械式控制器作为主控制器负责发动机的完全控制，包括启动、加速、减速控制，转速控制发动机电子控制具有监督能力，对推力（功率）进行精确控制，并对发动机重要工作参数进行安全限制由于电子控制便于同飞机接口，易于推力管理，状态监视，以及信号显示和数据储存 EEC应用JT9D-7R4、RB211-535E4、CFM56-3、CT7等发动机EEC的电液转换（如何把电信号转换为液压信号）通过力矩马达与液压机械式控制器联系，实现电液转换EEC的计算结果以电信号输出给力矩马达力矩马达将信号转换成液压信号控制燃油流量EEC的安全可靠性电子控制器若有故障，可退出工作驾驶员按一下按钮即可使液压机械式控制器恢复全部控制EEC供电专用发电机供电，飞机电源可作为EEC的备用电源及地面试验电源EEC安装一般安装在风扇机匣的外侧因为那里是发动机上环境相对较好的地方，安装有减振座，采用大气冷却也有的EEC位于电子设备舱。8.4 全权限数字电子控制(FADEC/EEC)FADEC全称 full authority digital electronic controlFADEC应用PW4000，V2500，RB211-524，GE90等全它发动机控制发展的最新水平，也是今后发展的方向FADEC组成FADEC系统是管理发动机控制的所有控制装置的总称发动机电子控制器EEC或电子控制装置ECU是它的核心所有控制计算由计算机进行，然后通过电液伺服机构输出控制液压机械装置及各个活门、作动器等，因此液压机械装置是它的执行机构8.4.1 FADEC的功能1、发动机控制方面推力管理对发动机的推力进行精确的控制，提高了推力控制的精度；燃油量的控制包括启动、加速、减速、稳态的流量控制；控制放气活门（VBV）的开度和可调静子叶片（VSV）的角度以得到最佳的喘振裕度，防止喘振使发动机更好地工作;涡轮间隙（TCC）控制控制发动机不同级的引气，从而保证涡轮叶尖间隙为最佳间隙，减少漏气损失，提高涡轮效率，提高发动机的性能;对发动机的燃油和滑油进行控制;对发动机的起动点火和反推进行控制;安全保护EEC使发动机的各主要参数不超限 2、状态监控和故障检测方面监视一些工作参数，自动检测故障，隔离出故障部位及采取相应的适应措施对驾驶员提供发动机状态监控信息，记忆存储故障数据保证工作可靠FADEC采用裕度控制:如EEC采用双通，当一个通道有故障时，可自动转换到另一通道3、数据通讯方面EEC既可以从飞机接受信息，飞机也可接受来自EEC的信息，用于操纵、维护驾驶舱显示8.4.2 燃油计量装置(FMU)采用全功能数字电子控制后发动机仍然需要油泵、油滤、燃油加热器、燃油计量装置（FMU）以及作动执行机构等但在FADEC系统中，已不再具有计算功能，控制计算全部由中央处理机进行液压机械装置提供燃油计量功能以及操纵可变几何形状作动器以及活门的伺服油、动力油，即成为EEC的执行机构液压机械装置（HMU）也有称为燃油计量装置FMU，保留除计算功能以外的原有功能8.4.3 FADEC的优点提高发动机的性能EEC的计算能力强，精度高，使发动机在整个飞行范围内发挥最佳性能；降低燃油消耗量；减轻驾驶员的负担；提高可靠性；降低成本；改善维护性；易于实施发动机和飞机控制一体化;为发动机的进一步发展提供了更大的潜力