基于AMESim的涡桨发动机燃油调节系统改进仿真_刘培培.pdf

收稿日期：2021-03-15作者简介：刘培培（1983），女，硕士，工程师。引用格式：刘培培，马静.基于AMESim的涡桨发动机燃油调节系统改进仿真J.航空发动机，2023，49（3）：120-125.LIU Peipei，MA Jing.Simulationof fuel control system improvement of turboprop engine based on AMESimJ.Aeroengine，2023，49（3）：120-125.基于AMESim的涡桨发动机燃油调节系统改进仿真刘培培1，2，马静2（1.中国船舶集团有限公司 第705研究所，西安 710077；2.西北工业大学 动力与能源学院，西安 710129）摘要：为了解决某型涡桨发动机机械液压燃油调节系统供油量不足的问题，按照功能特点将燃油调节系统划分为供油执行、指令控制和飞行修正3个子系统，分析各子系统的工作原理并基于AMESim软件平台建立了其仿真模型。对各子系统模型进行集成，构建整机级燃油调节系统模型开展仿真，并根据实际试验测量数据进行验证。提出修改油窗几何参数以增大供油量的改进方案，对供油量曲线进行进一步仿真研究。结果表明：利用该模型得到的供油量曲线与实测供油量曲线相比误差小于3%；将油窗面积增大到原来的1.1765倍可以提高燃油调节系统的供油量，满足该型发动机的供油需求。仿真模型可供涡桨发动机机械液压燃油调节系统改进设计借鉴。关键词：燃油调节系统；AMESim；供油量曲线；油窗面积；改进方案；涡桨发动机中图分类号：V233.7文献标识码：Adoi：10.13477/ki.aeroengine.2023.03.015Simulation of Fuel Control System Improvement of Turboprop Engine Based on AMESimLIU Pei-pei1，2，MA Jing2（1.The 705th Research Institute，China State Shipbuilding Corporation Limited，Xi an 710077，China；2.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi an 710129，China）Abstract：In order to solve the problem of insufficient fuel supply of a turboprop engine hydro-mechanical fuel control system，thesimulation model of the system was built based on AMESim software platform.According to the functional characteristics，the fuel controlsystem was divided into three subsystems：fuel supply execution subsystem，command control subsystem，and flight correction subsystem.The working principle of each subsystem was analyzed，and its simulation model was established on AMESim software platform.The subsystem models were integrated to form the whole fuel control system model for carrying out the simulation，and verified according to the actual test data.An improved scheme was proposed to modify the geometric parameters of the fuel orifice to increase the fuel supply，and thefuel supply curve was further simulated.The results showed that the error of the model is less than 3%compared with the measurement results.Increasing the fuel orifice area to 1.1765 times of the original could improve the fuel supply of the fuel control system and meet the fuel supply demand of the engine.The simulation model can be used as a reference for design improvement of turboprop engine hydro-mechanical fuel control system.Key words：fuel control system；AMESim；fuel supply curve；fuel orifice area；improvement scheme；turboprop engine航空发动机Aeroengine0引言燃油调节系统的性能和可靠性决定了整个航空发动机控制系统乃至发动机整体的性能与可靠性1-3。对于燃油调节系统的设计与改进，传统方法主要通过知识和经验试制真实的零组件，构成动态系统，然后通过试验研究结构参数对系统动态特性的影响。采用这种方法进行参数调整改进试验要花费大量的人力、物力和时间。随着计算机仿真技术的发展，在设计、改进中使用计算机对系统的动态特性进行仿真试验成为可能。通过仿真研究系统的各种工况，确认设计、改进效果，可使得液压组件、系统的缺陷在物理成型前就得到弥补，从而有效降低经济与时间成本4。液压系统通常存在非线性因素，采用传递函数法等线性方法对其动态特性进行分析具有一定的局限性；近年来，功率键合图法5-6越来越多地应用第 49 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.49 No.3Jun.2023刘培培等：基于AMESim的涡桨发动机燃油调节系统改进仿真第 3 期到液压系统仿真研究中。键合图是用图形方式来描述系统中各元件间的相互关系，能够反映元件间的负载效应及系统中功率流动情况，还可以表示出与系统动态特性有关的信息，是建立动力学系统数学模型既简单又简明的办法7-8。IMAGINE公司基于功率键合图方法开发的AMESim软件被广泛应用于液压系统仿真研究中。Bernardini9将AMESim应用于A380 客机前起落架伸缩系统的研发，模型仿真结果与试验结果匹配好，可以指导该液压系统的设计开发，提高了研发效率；Maia等10基于AMESim开发了飞机液压刹车系统模型，用于预测系统故障；张钊11提出了基于AMESim实现航空发动机燃油系统机、电、液一体化仿真方案；王彬等12将 AMESim 用于加力燃油计量装置建模研究，通过仿真分析了其稳态和动态特性；陈新中等13基于AMESim建立燃油调节系统模型，通过仿真对比故障现象，可排除大部分疑似的故障原因，减小试验量，节省排故成本；杨元祯等14基于AMESim建立燃油调节装置模型，基于MATLAB设计界面，搭建了燃油调节装置可视化虚拟仿真平台；柳海波等15基于AMESim 搭建了商用航空发动机燃油分配模型，通过试验数据对比证实模型仿真与燃油分配实际工作状态一致。上述研究表明将AMESim应用于航空发动机燃油调节系统仿真是可行的。本文根据功率键合图法建模的需求对核心部件工作机理和受力情况进行分析，在此基础上应用AMESim建立该型涡桨发动机燃油调节系统模型，进而通过仿真研究探索提高系统供油量的改进方案。1燃油调节系统简介某型涡桨发动机机械液压控制系统采用闭式恒转速，开式等功率的复合调节。由螺桨调速器实现恒转速调节，燃油调节系统实现开式等功率调节。燃油调节系统原理如图1所示。从图中可见，燃油调节系统通过感知进入发动机的气流参数、发动机转速反馈、油门杆角度，自动实现对油门开关开度的综合调整，使得进入涡桨发动机的供油量满足其在全飞行包线和各种工作状态下的需求。2子系统分析与建模2.1供油执行子系统供油执行子系统保证向发动机提供各状态下的燃油需求，由齿轮泵、单向活门、燃油滤、剩油回油活门、压差活门、油门开关等组件构成，供油执行子系统工作原理如图2所示，输入量中的油门开关转动量和油门开关平动量为与另外2个子系统之间的接口。为了建立子系统的模型，首先对其中各组件的工作原理进行分析，以核心组件油门开关、剩油回油活门为例。2.1.1油门开关油门开关结构原理如图3所示。油门开关在衬筒内运动，输入信号作用于拉杆，而拉杆又通过轴向移动和径向转动来改变节流开关开度大小，以此来实现对供油量的控制，流量为图1燃油调节系统原理图2供油执行子系统工作原理图3油门开关结构原理QzPLP1P0121航空发动机第 49 卷Qz=CxAx()2()p1-pL=Cxaxx()2()p1-pL（1）式中：Cx为流量系数；a为油门开关的径向位移；xx为油门开关的轴向线性位移；Ax为油门开关油窗面积；为燃油密度；p1-pL为限流口前后压差。油门开关受力情况分析如下。径向受力方程为Tg-Tr=G，其中Tg为节流开关的输入力矩；Tr为节流开关的消耗力矩；G为负载系数；为节流开关轴向转角。轴向受力方程为pzA1=p0A2，其中pz、p1分别为A1油门开关左腔与右腔油压；A1、A2分别为油门开关左腔与右腔油压的有效面积。基于流量分析和受力分析，在AMESim平台建立油门开关模型，如图4所示。2.1.2剩油回油活门剩油回油活门相当于液压系统中的溢流阀，溢流阀是常用的压力控制阀。其特点是根据阀芯受力平衡的原理，利用受控液流的压力对阀芯的作用力与其它作用力（主要是弹簧力）的平衡条件，来调节阀的开口量以改变液阻的大小，从而达到控制液流压力的作用。剩油回油活门结构原理如图5所示。剩油回油活门通过回油保证等压差活门前的油压保持不变，回油流量为Qb=CbAb()2()ps-p0=Cbdx1()2()ps-p0（2）式中：Cb为流量系数；Ab为阀口面积；x1为活门位移；d为活门直径；ps、p0分别为活门前后油压。剩油回油活门受力平衡情况为psA1=pL0A1+k1x1（3）式中：pL0为剩油回油活门右腔油压；A1为活门截面积；k1为弹簧弹性系数；x1为弹簧压缩量。基于流量分析和受力分析，在AMESim平台建立剩油回油活门模型如图6所示。在对各组件分析建模的基础上，建立了供油执行子系统模型，如图7所示。2.2指令控制子系统指令控制子系统由液压延迟器、控制轴以及摇臂、杠杆等机构组成。其工作原理为根据油门杆角度图4油门开关模型图5剩油回油活门结构原理图6剩油回油活门模型图7供油执行子系统模型UD00FP04FORCGA00UD00BAP16F000PS00PS00TK000MAS005THE4BYLPPLPL0Qb,P0PsBAP12-1 BA0042-1BA121-1BAP16-1chukouhuiyouUD00-1Panquanhuomendengyachahuomenyoumenkaiguanpenzuihuiyouhuomenhuiyoukou60122刘培培等：基于AMESim的涡桨发动机燃油调节系统改进仿真第 3 期控制油门开关的转动量以改变供油量，指令控制子系统工作原理如图8所示。指令控制子系统组件较为简单，限于篇幅，略去分析过程。在AMESim平台建立指令控制子系统模型如图9所示。2.3飞行修正子系统飞行修正子系统由感温棒、膜盒、摇臂、拨杆、分油活门、随动活塞、拉杆等组成。其工作原理为通过感受代表飞行条件的发动机进气总压p*1和总温T*1，自动调整油门开关的平动量，修正供油量，飞行修正子系统工作原理如图10所示。在AMESim平台建立飞行修正子系统模型如图11所示。3系统模型验证与改进3.1系统模型综合与仿真验证以3个子系统模型为基础，考虑子系统之间的关联和相互作用，综合建立了该型燃油调节系统模型，如图12所示。该模型在发动机进气总压为101325 Pa，总温为275 K 的条件下，针对对应油门杆角度从 0上升到100的变化情况进行了仿真，供油量随油门杆角度变化如图13所示。供油量随油门杆角度变化试验数据与仿真结果对比见表1。表中，为油门杆角度；G1为试验实测供油量值；G2为模型仿真得到的供油量。从表中可见，模型仿真得到的供油量与试验实测值一致性较好，误差绝对值图10飞行修正子系统工作原理图11飞行修正子系统模型图13供油量随油门杆角度变化图8指令控制子系统工作原理图9指令控制子系统模型deliverty/（L/min）18161412108642a/（）1009080706050403020100图12某型涡桨发动机燃油调节系统模型penzuiPHdanxianghuomenyoumenkaiguandengyachahuomenhuiyouhuamenhuiyoukou60anquanhuomen123航空发动机第 49 卷不超过2%。在其它发动机进气状态下的仿真验证有类似的结果，限于篇幅，不再赘述。3.2系统改进方案仿真该型燃油调节系统在实际使用中存在供油量低于发动机实际需求供油量的问题，按照改进要求，供油量应提高17.5%。由以上分析可知，供油量受到指令控制子系统和飞行修正子系统的共同调节作用，所以直接修改供油执行子系统是首选的改进途径。根据式（1）可知，可以通过修改油门开关前后压差p或其油窗面积Ax来提高供油量。根据工程经验，如果修改油门开关前后压差p，会使得系统的压力分布发生改变，可能产生较大的影响，增加改进工作的复杂程度。基于此，采用修改油门开关油窗面积Ax的改进方案研究。首先，为了验证系统能否保持正常工作，仿真研究了油窗面积调整对等压差活门前后压差的影响。在发动机进气总压为101325 Pa，总温为275 K，油门杆角度为100的条件下，逐步调整油窗面积为原面积的0.71.6倍，油窗面积修改对等压差活门压差的影响如图14所示。从图中可见，修改油窗面积之后等压差活门前后压差变化很小，基本保持原有数值。在其它状态下也有类似的结果。从而可知，采用修改油窗面积的改进方案对系统压力分布影响小，是工作量较小的简单方案。通过调整所建立的模型中油门开关油窗面积进行仿真试验可得将油窗面积调整为其原面积的1.1765倍是1个可行的改进方案，面积的增加通过将油窗形状由矩形修改为直角梯形实现，梯形的底平行于油门开关，梯形直腰位于平动量调整侧，斜腰由原矩形边绕顶点向外扩充而来。修改后，对于相同飞行条件下指令控制子系统同样的油门杆角度增量，供油量增量与原有情况相比成比例增大；同时，飞行修正子系统对燃油流量的调整量不受影响，即飞行条件变化带来的供油量调整量保持不变。在发动机进气总压为101325 Pa，总温为275 K的条件下，在 AMESim 模型中修改油窗面积为原来的1.1765倍，改进前后的供油量随油门杆角度变化情况如图15所示。改进前后供油量随油门杆角度变化的仿真结果见表2。表中，G1为试验实测供油量值；G2为改进前模型仿真得到的供油量；G3为修改后模型仿真得到的供油量；G由（G3-G2）/G2计算得出，为系统改进前后仿真得出的供油量增加的百分比。从表中可见，系统改进后的供油量增加了16.48%17.8%，基本满足实际需求的17.5%供油增加量。4结论（1）基于功率键合图法的AMESim软件平台仿真/（）G1/（L/min）G2/（L/min）|G|/%0000204.574.491.75408.58.341.886011.6811.451.978014.6214.331.9810016.7516.421.97表1供油量随油门杆角度变化试验数据与仿真结果对比图14油窗面积修改对等压差活门压差的影响图15油窗改进前后供油量随油门杆角度的变化/（）G1/（L/min）G2/（L/min）G3/（L/min）|G|/%0000/204.574.495.2316.48408.58.349.7817.276011.6811.4513.3916.948014.6214.3316.8117.310016.7516.4219.3417.8表2改进前后供油量随油门杆角度变化仿真结果difference of P0.160300.160250.160200.160150.160100.160050.16000coefficient of Ax1.71.61.51.41.31.21.11.00.90.80.70.6deliverty/（L/min）2018161412108642a/（）1009080706050403020100调整油窗面积后供油量调整油窗面积前供油量124刘培培等：基于AMESim的涡桨发动机燃油调节系统改进仿真第 3 期分析与试验实测情况符合较好，用于燃油调节系统改进可节省时间和经济成本；（2）通过仿真分析给出了增大油窗面积的改进方案，可用于指导改进件实体试制，需要注意的是，采用改进方案扩大油门开关的油窗面积后需要重新校核油门开关的结构强度。参考文献：1 张绍基.航空发动机燃油与控制系统的研究与展望J.航空发动机，2003，29（3）：1-5.ZHANG Shaoji.Recent research and development of the fuel andcontrol systems in an aeroengineJ.Aeroengine，2003，29（3）：1-5.（in Chinese）2 樊思齐.航空发动机控制M.西安：西北工业大学出版社，2008：1-4.FAN Siqi.Aircraft engine controlM.Xi an：Northwestern Polytechnic University Press，2008：1-4.（in Chinese）3 Rolls R.The jet engineM.US：Wiley，2015：133-135.4 王兆铭.控制系统仿真技术在燃气涡轮发动机中的应用研究D.沈阳：东北大学，2013.WANG Zhaoming.The application of control system simulation ingas turbine engineD.Shenyang：Northeastern university，2013.（inChinese）5 Thoma J U.Introduction to bond graphs and their applicationsM.Britain：Pergamon Press，1975：1-6.6 Dransfield P.Hydraulic Control systems-design and analysis of theirdynamicsJ.Lecture Notes in Control&Information Sciences，1981，35（4）：48-937 周启银.功率键合图法对液压系统动态特性研究的可行性分析J.武汉冶金科技大学学报，1996，19（1）：80-84.ZHOU Qiyin.An alysis of feasibility in application of power-bonding-diagram method to study dynamic behaviors of a hydraulic systemJ.Journal of Wuhan Yejin University of Science and Technology，1996，19（1）：80-84.（in Chinese）8 王士刚.液压系统可视化动态建模技术及其软件实现方法研究D.大连：大连理工大学，2001.WANG Shigang.Study on visual dynamic modeling technique of hydraulic system and its realizing method in softwareD.Dalian：Dalian University of Technology，2001.（in Chinese）9 Bernardini G.Hydro-mechanical modelling of the airbus A380 noselanding gear extension/retraction systemsD.Italy：Universit di Pisa，2009.10 Maia N M，Ges L C.Use of LMS Amesim model and a bond graphsupport to predict behavior impacts of typical failures in an aircrafthydraulic brake systemJ.Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering，2018，40（9）：1-17.11 张钊.LMS航空发动机仿真技术机电液一体化解决方案J.航空制造技术，2011（21）：49-53.ZHANG Zhao.Mechanic-electronic-hydraulic integration solutionof LMS for aeroengine simulationJ.Aeronautical ManufacturingTechnology，2011（21）：49-53.（in Chinese）12 王彬，赵皓岑，叶志锋.加力燃油计量装置的 AMESim 仿真研究J.航空发动机，2014，40（5）：62-66.WANG Bin，ZHAO Haocen，YE Zhifeng.AMESim simulation ofafterburning metering unit for fuel systemJ.Aeroengine，2014，40（5）：62-66.（in Chinese）13 陈新中，夏宗记，王玲君.AMESim仿真分析方法在燃油调节器排故中的应用J.航空发动机，2019，45（1）：46-50.CHEN Xinzhong，XIA Zongji，WANG Lingjun.Application ofAMESim simulation analysis method in fuel regulator trouble-shootingJ.Aeroengine，2019，45（1）：46-50.（in Chinese）14 杨元桢，郭迎清，毛皓天.基于AMESim和MATLAB的燃油调节器可视化联合仿真J.航空发动机，2019，45（3）：26-30.YANG Yuanzhen，GUO Yingqing，MAO Haotian.Visualization co-simulation of fuel regulator based on AMESim and MATLABJ.Aeroengine，2019，45（3）：26-30.（in Chinese）15 柳海波，陈杨.商用航空发动机燃油分配建模与仿真技术研究J.液压与气动，2020，（4）：164-169.LIU Haibo，CHEN Yang.Modeling and simulation for fuel distribution of commercial aircraft engineJ.Chinese Hydraulics Pneumatics，2020，（4）：164-169.（in Chinese）（编辑：刘亮）125