某型航空发动机燃油流量调节器建模与故障仿真

2011-06-06谢小平张学军贺孝涛于承军

航空发动机 2011年4期

谢小平，张学军，贺孝涛，于承军

（1.海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台 264001；2.海军装备部驻沈阳地区军事代表局，沈阳 110015；3.海军驻西安地区航空军事代表室，西安 710021；4.91213部队装备部，山东烟台 264001）

谢小平1，张学军2，贺孝涛3，于承军4

以某型发动机燃油流量调节器为研究对象，根据其工作原理和物理结构建立了数学模型。利用小波对某状态下的试车数据进行滤波，然后进行仿真，从而验证了模型的正确性。分析了燃油流量调节器的典型故障，并仿真计算了燃油流量调节器在膜盒老化和变计量油孔磨损、堵塞的故障模式下的供油量。计算表明：对于燃油流量调节器的供油特性，膜盒老化的影响不大，而变计量油孔的磨损、堵塞的影响十分显著。

燃油流量调节器；转速控制器；压差控制器；小波；供油特性；航空发动机

0 引言

作为飞机的动力装置，航空发动机工作状态的好坏直接影响飞机的安全性和可靠性。燃油流量调节器是发动机自动控制的核心部件，同时也是故障高发区[1]。航空发动机燃油流量调节器故障仿真研究的意义在于通过建模、仿真，对其性能做出分析和评价，为航空发动机的改型、使用、维护提供既方便又经济的数字化“试车台”。

本文以某型发动机燃油流量调节器为研究对象，通过分析其物理结构和工作原理，建立了其数学模型；仿真计算了2种典型故障模式下的燃油流量变化。

1 燃油流量调节器介绍

燃油流量调节器由齿轮传动系统、高压转子转速控制器、压差控制器、膜盒组件、空气分压器、P3限制器和温度控制器等组成。其功用：当油门杆位置不变时，根据飞行状态的变化自动调节供油量，保持高压转子转速不变；当油门杆位置改变时，根据高压转子转速NH、高压压气机进口压力P2、出口压力P3，按加速（或减速）供油曲线改变供油量，保证发动机从1个转速安全迅速地加速（或减速）到与油门杆位置相应的另1个转速；此外，还限制P3、T3和T6不超过限制值，以保证发动机安全工作[2]。

2 燃油流量调节器模型

燃油流量调节器的输入参数包括从柱塞泵的来油流量和压力、NH、P2、P3、T3、T6；输出参数为燃油流量。燃油流量调节器的工作原理如图1所示。

为便于建模，作如下假设：

（1）认为节流元件（节流嘴、分油活门等）的流量系数为常数，忽略环境温度及开度大小的影响；

（2）忽略活门的惯性和阻尼，即认为是开关式理想活门，不存在过渡过程；

（3）忽略可动件与其耦合件之间的摩擦、阻尼与液动力；

（4）忽略温度变化对弹簧刚度的影响；

（5）有实际试验数据的，按照试验数据计算；无试验数据的，按经验公式或理论公式估算。

2.1 转速控制器模型

转速控制器根据油门杆位置，确定燃油的有效流通面积，以保证发动机所需的转速。其数学模型的输入量为：凸轮箱角度和膜盒组件传到燃油流量调节器的位移信号s1；输出量为：ntri个三角形孔和nrec个长方形孔的流通面积。变计量油孔结构如图2所示。

调节器套筒的受力平衡方程为

式中：F（θc）为油门控制弹簧传给调节套筒的弹簧力；kpl为油门控制弹簧杠杆的力臂比；Δlpl为油门控制弹簧的压缩量；nfw为离心飞重的个数；mfw为离心飞重的质量；ω为调节套筒的角速度；r为离心飞重质心到调节套筒轴心的距离；k为油门控制弹簧的弹性系数；klfw为离心飞重受到的套筒作用力和离心力的力臂之比；Δs2为调节套筒的位移变化量。

所以调节器套筒到固定计量套筒的距离s2为

式中：zr、zl分别为加、减速止动钉对应的调节器套筒到固定计量套筒的最大或最小距离。

2.1.1 三角形面积的计算

已知三角形油孔倒角半径rtri、膜盒未调节时三角油孔顶部到固定计量套筒的距离ztri_t0、三角形油孔外接三角形左侧顶角θtri_top、右侧底面到左侧倒角圆弧顶点的距离ztri_bt和膜盒组件传到燃油流量调节器的位移变化信号Δs1，则在膜盒组件作用下，外接三角形的顶点到固定计量套筒的距离dtri_top（在计量套筒左侧为正，右侧为负）和外接三角形的高htri分别为

三角形油孔外接三角形的顶点到顶部倒角的2个切点连线的距离为

2个切线交点到该点同顶角圆弧圆心连线跟弧交点的距离为

由三角形油孔底边倒角同腰的切点到底的距离dbase，得该切点到外接三角形顶点的距离为

三角形油孔底边到外接三角形顶点的距离为

三角形油孔流通部分左侧边界到三角油孔外接三角形顶点的距离为Y=max（dtri_top,dtri_tip）；右侧边界对应的距离为Z=min（htri,dtri_top+s2），则不考虑倒角时三角形油孔流通面积为

2.1.2 长方形油孔面积计算

已知膜盒通过杠杆传到变计量油孔套筒的位移变化量Δs1、膜盒未调节时长方形油孔左侧到三角形油孔左侧的距离zrec_tri、长方形油孔和三角形油孔之间壳体的左侧到固定计量套筒右侧的距离zroot、膜盒未调节时三角油孔顶部到固定计量套筒的距离ztri_t0，则长方形油孔流通部分长度为

若arec≤0，则方孔的流通面积Arec=0；否则进行下面计算。

（1）当arec≤rrec时，长方形油孔流通面积为

（2）当 rrec＜arec≤arec0-rrec（arec0为长方形油孔的长度）时，（1）中的 θrec=π/2，则长方形油孔流通面积为

（3）当 arec0-rrec＜arec≤arec0时，长方形油孔流通面积为

（4）当 arec0＜arec时，（3）中的 θrec=0，则长方形油孔流通面积为

2.2 压差控制器数学模型

压差控制器感受变计量油孔前、后的油压差，调节高压燃油泵的供油量，以保证变计量油孔前、后油压差与发动机高压转子转速的平方成反比。

在发动机稳定工作时，作用在压差活门上的压差力和飞重轴向力相等，即

式中：Zy为压差控制器的离心飞重个数；m2为压差控制器的单个离心飞重质量；Ay为压差控制器的压差活门左右的油压作用面积。

当压差活门上的压差力和离心飞重的轴向力不平衡时，压差活门向作用力小的方向移动，改变压差控制孔的开度，压差控制孔的前、后压差发生改变。因为该发动机采用的压差控制孔是3个三角形孔，所以压差控制器左右移动，会对其面积有不同的影响，下面将进行分别讨论。

压差控制孔在设计稳定状态的有效面积为

当转速增大，或者压差控制器前、后的压差减小时，压差控制器左移，压差控制孔的有效面积还是三角形（如图3所示），其有效面积与压差控制器的位移关系为

其动态方程为

当转速减小，或压差活门前、后的压差力增大时，压差控制器右移，压差控制孔的有效面积为梯形（如图4所示），其有效面积与压差控制器的位移关系为

压差控制孔前、后的压差Δpcy为

其动态方程为

2.3 空气分压器的数学模型

根据空气分压器P3/P3f—P3/P2的特性曲线（如图5所示），由P3/P2线性插值得到P3/P3f，则空气分压器的P3f为

2.4 膜盒组件和杠杆系统数学模型

膜盒组件的功用是按照高压压气机进口压力P2和出口压力P3与发动机需油量的对应关系，调节变计量油孔套筒位置，从而调节供油量。

膜盒作为测量压力或压差时，需要的输出参数是位移ym。利用经验公式计算膜盒组件中自由端的输出位移为

式中：n1、n2分别为开口膜盒和真空膜盒的个数；c1、c2分别为开口膜盒和真空膜盒的特性系数；c3为经验系数；Fp为膜盒绝对压缩量相关量

2.5 P3限制器数学模型

P3限制器是为了防止P3压力超过限制值。P3限制器由波纹管、弹簧载入活门、杠杆、平衡弹簧和基准再调装置等组成。

P3限制波纹管的位移量ΔLp3lim为

式中：nbp3lim为波纹管节数；Kbp3lim为单位压差使P3限制器一节波纹管的长度变化量；kp3lim为限制器平衡弹簧的弹性系数。

3 测试参数数据的预处理

在发动机实际试车数据采集过程中，传感器的测量存在干扰噪声，要保证模型修正和诊断的准确性，应该首先对测试数据进行预处理[3]。本文利用小波变换的方法提取稳态数据，使用Matlab自带的小波分析工具箱，可方便地实现小波变换对信号的数字滤波功能。某台发动机试车数据的数字滤波前、后结果如图6所示。

经过预处理后的数字信号可以作为模型的输入数据，从图6中可见，经过滤波后的高压转子转速的变化幅度比原始测量数据变化幅度小，信号趋势更加明显。

4 模型正确性验证

为验证模型的正确性，本文选取发动机某状态试车数据作为模型的输入数据，将所选取的数据带入模型进行仿真计算。为能够比较直观的比较高压转子转速变化与供应量变化的关系，将数据进行归一化处理，得到仿真结果如图7所示。

从图7中可见，供油量的变化幅度与高压转子转速的变化幅度基本一致。这是因为，燃油流量调节器的燃油流量并没有反馈到发动机工作状态中，对发动机工作状态没有影响。从燃油流量变化的情况来看，模型是正确的。

5 典型故障模式分析

根据已有资料，分析燃油流量调节器中易发生故障零部件的功能、故障模式和在仿真系统中影响的参数，依据理论分析制出故障影响表，见表1。

表1 燃油流量调节器故障影响

5.1 膜盒故障模式的仿真分析

燃油流量调节器中的膜盒组件在长期使用后容易老化，直接影响薄膜的压缩性，即使膜盒的系数c1、c2变大。在仿真模型中，可以通过增大c1、c2，从而实现薄膜老化的故障仿真。

膜盒老化前、后供油量对比如图8所示。从图中可见，膜盒老化后在相同工作环境下，燃油流量调节器的供油量会比正常情况下的偏多。膜盒的不同老化程度（系数减小比例）对供油量的影响见表2。从表中可见，膜盒老化程度对

供油量的影响比较小当膜盒特性系数衰退47.92%的情况下，供油量只增加了2.38%。

表2 膜盒老化程度对供油量的影响 %

5.2 变计量油孔套筒故障模式的仿真分析

变计量油孔是依靠套筒的运动来改变油孔的开度，从而实现对燃油流量的调节，控制发动机的工作状态。如果燃油流量调节器中的变计量油孔磨损，就会造成其面积增大；如果变计量油孔发生堵塞，则其面积减小。

油孔磨损、堵塞和正常状态下的供油情况如图9所示。从图中可见，计量油孔在发生磨损或堵塞故障时的供油量分别比在正常状态下的偏大或偏小。油孔磨损程度对供油量的影响见表3。从表中可见，计量油孔的面积变化对供油量的影响比较大，当油孔磨损后面积增大27.4%时，供油量就会增大11.5%。

表3 油孔磨损程度对供油量的影响 %

6 结束语

燃油流量调节器的不同故障模式，对其性能有不同程度的影响。膜盒老化对燃油流量调节器的供油特性影响不大;而变计量油孔的磨损、堵塞则对其特性的影响十分显著。在发动机使用、维护过程中，为避免变计量油孔的磨损和堵塞，必须保证进入燃油流量调节器中的燃油所含固体杂质足够少，因此需要及时清理、更换高压燃油油滤。

[1]段守付，樊思齐，卢燕.航空发动机自适应建模技术研究[J].航空动力学报，1999，14（4）：440-458.

[2]吴虎.航空发动机原理[M].西安：西北工业大学出版社，2005.

[3]李本威，尹大伟.某型涡扇发动机状态模型修正[J].海军航空工程学院院报，2008，23（2）：213-216.

[4]王逊.发动机性能的耦合优化计算[J].航空动力学报，1999，14（2）：139-142.

[5]Sellers J F.A program for calculating steady-state and transient performance of turbojet and turbofan engine [R].NASA TN-D-79011973.

Modeling and Fault Simulation of an Aeroengine Fuel Regulator

XIE Xiao-ping1,ZHANG Xue-jun2,HE Xiao-tao3,YU Cheng-jun4
（1.Department of Airborne Vehicle Engineering,Naval Aeronautical and Astronautical University,Shandong Yantai 264001,China;2.Military Representative Office of Naval Equipment Department in Shenyang,Shenyang 110015,China;3.Naval Military Representative Office in Xi'an,Xi'an 710021,China;4.the 91213th Unit of PLA,Shandong Yantai 264001,China）

An aeroengine fuel regulator was taken as the research object,and its mathematical model was established according to its principle and physical structure.The test data at certain state was filtered by the wavelet.The correctness of the model was verifid by simulating.The typical faults of fuel regulator were analyzed and the oil supply were simulated in the failure mode of aging diaphragm,variable measurement hole wear and clogging.The calculation results show that the effect of the variable measurement hole wear and clogging on the oil supply characteristics is significant,but the effect of the aging diaphragm on the oil supply characteristics is not obvious.

fuel regulator； rotate speed controller； pressure controller； wavelet； oil supply characteristics;aeroengine