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標題: 渦軸發動機控制系統的發展 [打印本頁]

作者: 寂靜天花板 時間: 2016-3-3 21:20
標題: 渦軸發動機控制系統的發展

渦軸發動機控制系統經歷了機械液壓式、模擬電子式、數字電子式、全權限數字式發動機控制（FADEC）4代產品的發展歷程，它的發展還與電子技術、控制技術、健康管理技術的進步緊密相關。成熟的飛/發一體化控制及健康管理技術將是未來渦軸發動機控制系統的發展方向。

世界上第一臺航空渦軸發動機是透博梅卡公司研制的阿都斯特-l發動機，該發動機采用的是機械液壓式燃油調節器。渦軸發動機及其控制系統的發展是相輔相成的：一方面，渦軸發動機的發展對控制系統不斷提出新的要求，促使其技術不斷進步，功能更加完善；另一方面，控制系統的發展、關鍵技術的突破也能挖掘渦軸發動機的潛力，促進渦軸發動機的發展。) r/ o1 ?- ]2 {! f% @
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渦軸發動機控制系統包括燃油和控制兩大部分。燃油部分有增壓泵、油濾、高壓泵、分配器等；控制部分有燃氣發生器轉速控制器、動力渦輪轉速恒速器、雙/多發扭矩匹配器、渦輪前溫度限制器、扭矩限制器、動力渦輪轉速超轉保護裝置、壓氣機導葉調節裝置等。對第一、二代渦軸發動機而言，控制系統大部分是各自獨立的。對于第三、四代渦軸發動機的控制系統的大部分組成及功能則進一步集成化，逐漸發展成電子控制單元（ECU）和液壓機械單元（HMU）兩大塊，但有一些關鍵的部分（如動力渦輪轉速超轉保護裝置）仍然是相對獨立的。

渦軸發動機控制系統需要實現如下的基本功能：發動機起動控制、發動機穩態控制、發動機加減速控制、動力渦輪轉速恒速控制、動力渦輪轉速超轉保護、燃氣發生器轉速限制、燃氣渦輪出口溫度限制、起動過程超溫保護、壓氣機導向葉片角度控制、動力渦輪輸出軸扭矩限制、雙/多發扭矩匹配控制、單發應急功能控制、放氣（活門）控制、燃油系統排氣功能、防冰功能。數字式電子控制系統還要實現發動機狀態監視和故障診斷與處理、信息存儲和數據通信以及地面檢測功能。
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動力渦輪轉速恒速控制是渦軸發動機控制系統的主要功能，也是渦軸發動機典型的控制方式。不管哪種形式的渦軸發動機控制系統，動力渦輪轉速恒速原理基本相同。當然，在實際控制中，燃氣發生器轉速、渦輪前溫度、總距桿位置、扭矩、大氣環境條件等參數主要對動力渦輪轉速進行限制、修正和設定狀態。

控制系統發展概述

半個世紀以來，渦軸發動機已成功地發展了4代產品。第一代渦軸發動機在20世紀50年代至60年代中期研制，以T58-GE-10和阿都斯特II等發動機為典型代表，控制系統采用機械液壓燃油與控制系統。第二代渦軸發動機在20世紀60年代中期至70年代中期研制，以阿斯泰祖和T64-GE-6等發動機為典型代表，控制系統采用模擬電子式。第三代渦軸發動機在20世紀70年代末至80年代中期研制，以T700-701C和馬基拉等發動機為典型代表，由于集成電路技術的出現和應用，使得控制系統大多采用了數字電子式，并開始了FADEC系統和發動機健康管理初步功能（狀態監控、故障診斷等）的研究與應用。第四代渦軸發動機在20世紀80年代中后期開始研制，到90年代投入使用，以T800和MTR390等發動機為典型代表，得益于大規模集成電路和數控技術的日益成熟，控制系統廣泛采用FADEC系統，具備相對成熟的健康管理系統。進入21世紀后，超大規模集成電路的出現以及高性能處理器的發展，同時發動機建模仿真技術、健康管理技術和飛/發一體化控制技術的完善，使得渦軸發動機FADEC系統技術進一步成熟。3 L2 ]/ S" s* U; |( b4 l* K

機械液壓式

加拿大普惠公司的PT6-T6發動機采用的是典型的機械液壓燃油與控制系統。PT6-T6控制系統由燃油調節器、燃油分配器、扭矩限制器、動力渦輪恒速器、雙發扭矩匹配器組成。其中燃油調節器集成了油濾、燃油泵、轉速敏感元件、彈簧連桿機構、膜盒組件、計量油針、壓差活門、分壓器、調節活門、加速活門和壓力波動吸收器等。燃油調節器能夠實現發動機的起動及動力渦輪轉速控制。扭矩限制器實現最大扭矩限制，動力渦輪恒速器實現動力渦輪轉速恒速、雙發扭矩匹配器實現雙發扭矩匹配。PT6-T6發動機壓氣機導葉不可調。

模擬電子式

GE公司的T700-701A發動機控制系統是典型的模擬電子式控制系統。T700-701A控制系統主要由液壓機械裝置（HMU）和模擬式電子控制器（ECU）兩部分組成。HMU安裝在發動機前附件機匣上，主要由帶計量裝置的泵油系統、轉速調節及自動加速控制系統、VG伺服系統組成。HMU由發動機前部附件機匣傳動，根據燃氣發生器轉速、離心壓氣機出口壓力、發動機進口溫度的變化、ECU的配平電信號、可用功率軸（PAS）和負載要求軸（LDS）的角度計量供給發動機所需的燃油。壓氣機的導葉控制也是由HMU單獨完成。在發動機運行過程中，一旦電子控制器出現故障，作為備份的HMU進入工作狀態，實現一些應急功能，保證飛機的安全。

HMU的功能有燃油泵送油、燃油流量計量、通過LDS的角度輸入進行總距補償、加速和減速過程的流量限制、動力渦輪極限轉速限制、壓氣機導向葉片角度控制、起動放氣與防冰活門控制、PAS超行程時燃油系統放氣；ECU通過控制力矩馬達調準動力渦輪轉速給定值；ECU故障或不工作時，PAS超控ECU。

ECU的功能是通過輸出電信號來控制HMU中的力矩馬達，在發動機允許的動力渦輪轉速、動力渦輪進口溫度極限范圍內對HMU進行調節，以便保持動力渦輪轉速恒定、雙發扭矩平衡，另外ECU還具備動力渦輪轉速超轉保護、起動超溫保護，向歷史記錄儀和駕駛艙提供所需信號等功能。

數字電子式

T700-701C發動機控制系統是數字電子式控制系統的典型代表，T700-701C發動機控制系統是在T700-701A控制系統發展來的，其組成功能類似，也是由電子控制器和HMU兩部分組成，但電子控制器已由模擬電子式發展成數字電子式（DECU）。

T700-701C控制系統除實現T700-701A控制功能外，還具備初步的健康管理系統功能。傳感器、DECU、歷史記錄儀、地面檢測裝置及指示報警裝置等構成一個健康管理系統的雛形，能進行基本的狀態監視，完成一些重要的故障診斷。DECU實現的初步健康管理功能有BIT測試、DECU各模塊的測試、傳感器的檢測、執行機構的檢測，將歷史數據及狀態記錄在非易失存儲器中，通過串口通信進行實時或歷史數據及狀態的傳輸實現各種信號的監視，駕駛艙儀表指示（扭矩、溫度及故障信息等）。0 A$ R; Z- D2 I- J

歷史記錄儀包含4個計數器，DECU根據采集參數進行計算判斷，驅動歷史記錄儀記錄LCF1（1號低循環疲勞）、 LCF2（2號低循環疲勞）、發動機運行時間及發動機溫度時間指數等4個歷史參數。這4個參數直接反映發動機的壽命及運行情況。T700-701C發動機還包括一些指示報警裝置，如燃油、滑油濾堵塞指示報警等。

FADEC

FADEC系統也是由電子控制器和液壓執行機構組成。渦軸發動機FADEC系統典型特點是余度設計。電子控制器由雙余度的數字電子控制通道組成，傳感器采用雙余度或多余度，液壓執行機構也采用余度結構。電子控制器每個數控通道進行信號采集、數據處理、發動機機載模型計算及故障診斷等，能獨立地控制液壓執行機構，當一個數控通道出現故障時，能自動切換到另一個通道。通道間進行數據交換，在必要情況下還能實現系統重構。FADEC提高了系統的可靠性，可以判斷出更加合理的故障模式及作出相應的對策。采用FADEC系統的渦軸發動機有GE公司的T800發動機和中法合作研制的WZ16發動機等。

發展趨勢

根據國內外現役和在研渦軸發動機及其控制系統分析，預計渦軸發動機控制系統未來將向具有成熟的飛/發一體化控制及健康管理技術的FADEC系統發展。

隨著渦軸發動機的高速發展，控制系統的功能要求日趨強大，需要采集的信號及處理的數據越來越多，FADEC系統電子控制器采用傳統處理器（如英特爾的80386、摩托羅拉的MC68332）無論從通道數，還是速度、容量上都已不能滿足要求，采用高性能處理器PowerPC（MPC555或MPC556)是渦軸發動機FADEC系統發展趨勢。目前對基于PowerPC（MPC555或MPC556）的電子控制器的研究與應用正在進行中，如GE公司的701D發動機數控系統已成功采用MPC555。

渦軸發動機的發展也會促進高精度、小型化、集成化的傳感器及執行機構的應用研究，會對建模仿真技術、飛/發一體化控制技術提出了新的要求。渦軸發動機控制系統采用飛/發一體化技術能夠最大限度地挖掘渦軸發動機的潛力，優化發動機與飛機的性能。20世紀末，美國已在裝有T64-GE-415、250-C30兩型發動機的CH-53E、S-76直升機進行了飛/發一體化控制設計及研究。歐洲的RTM322發動機數控系統也采用直升機飛/發一體化控制技術。飛/發一體化控制技術是渦軸發動機控制系統發展的方向之一。

為了使航空發動機安全高效地運行，節省維修成本，就必須了解發動機的運行狀況，掌握其變化規律，對關鍵部件實施狀態監測與故障診斷。發動機狀態監控與故障診斷是保障飛機和發動機安全可靠運行的必要條件。傳統的定期維修方式不但耗費資源，而且效率低下，費用也居高不下。基于狀態的維修（CBM）——視情維修，具有規模小、效率高、經濟性好以及可避免重大災難性事故等顯著優勢，是航空發動機必然發展的先進維修思想和維修方式。

視情維修要求航空發動機具有對自身故障的預測能力，并具有對健康狀態進行管理的能力。健康管理系統是航空發動機視情維修的前提。進入21世紀后，超大規模集成電路的出現，高性能處理器及大容量存貯器件的成熟應用，航空發動機控制系統數據處理能力更強，信息容量更大，同時微弱信號識別、故障模式及診斷、壽命預測及管理等技術的進步完善，使得健康管理技術日臻成熟。作為發動機控制系統不可缺少的組成部分，健康管理系統的發展方向是對獲取到的發動機數據信息進行綜合分析，評估發動機的健康狀態并提出維修建議，最終實現對發動機的視情維修。- j* y) A* {' U* Q

作者: 倒影年華 時間: 2016-3-3 21:39
學習了

作者: 蘇SUV 時間: 2016-4-5 21:07
有點復雜，高精尖~

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