袁春林
中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司 贵州 贵阳 550009
摘要：随着我国航空航天的不断进步,航空发动机技术的发展也不断的提高,燃油和控制系统由原来的简单系统发展到现在的复杂技术, 由原来的液压机械操作发展到现在由全权限数字电子控制(FADEC)进行操作。原有的军用航空发动机中燃油和控制系统的特点是多变几何控制能力,而现在的FADEC技术将发动机的故障诊断和监视系统归入到发动机的控制系统中。在航空航天发展速度较快的今天,防喘控制也受到航天专家的重视。因此,本文将对航空发动机燃油和控制系统的发展进行阐释,为我国的航空航天发展提供理论依据。
关键词：航空发动机燃油与控制系统的研究与展望
前言：在航空发动机研制过程中,要经过大量整机试验和科研试飞才能最终确定燃油与控制系统的性能、可靠性和操纵性。在整机试验和科研试飞中,台面仪表仅显示了发动机状态和告警参数,几乎没有监控显示燃油与控制系统的相关参数。如果不对燃油与控制系统进行测试改装,在整机试验和科研试飞中则无法预估燃油与控制系统的安全可靠性,也不利于燃油与控制系统的故障排查。为了降低整机试验和科研试飞的风险,必须加强燃油与控制系统的全面监控,保障试验安全可靠的进行。
一、燃油与控制系统组成
燃油与控制系统主要由离心式增压泵、低压燃油滤、燃油调节器、电子控制器、燃滑油散热器、超转放油阀、各类传感器及电缆等附件组成。航空发动机燃油能在较宽的温度范围内正常供油。一般要求的外界气温范围为-60 一60℃。当气温过低时，可能导致燃油滤网上处于悬浮状的水分结冰，而沉积在燃油滤网上将其堵塞，使进入发动机的燃油减少，致使发动机停车现象；当气温过高时，燃油在高温之下也会分解成焦炭，堵塞油路，影响燃油系统正常供油。要求在设计上减少燃油管道外露，采取余度设计，以保证在某些附件损坏后仍能保持燃油系统正常输油；采取吸油式燃油输油泵以及坠毁自封措施，防止坠毁时燃油外泄起火。要求燃油系统在发动机处于各种状态都能通过喷嘴或甩油盘在燃烧室中使燃油均匀雾化。
二、航空发动机燃油与控制系统测试
1.燃油系统测试。燃油系统由离心式增压泵、低压燃油滤、燃油调节器、燃滑油散热器及超转放油阀等附件组成,其作用是将燃油输送到燃烧室,保证航空发动机各种工作状态下所需的燃油。飞机或台面仪表仅监控燃油滤堵塞和燃油压力低两个发动机燃油系统告警信号。因此,必须对燃油系统进行相应的测试改装,才能全面监控燃油系统的工作状态,保证试验安全进行。增压泵进出口燃油压力和燃油温度的测试燃油系统组成元件,尤其是燃油调节器只能在特定的进口燃油压力和温度范围内正常工作,否则工作异常,给发动机正常工作造成一定的影响。通过对增压泵进出口燃油压力和温度进行测试监控,可以避免燃油系统在燃油压力和温度规定值外工作,燃油压力开关虽然具有燃油压力低告警功能,但是不能对燃油压力数值进行监控。通过在燃油压力开关和燃油管路连接处增加一个三通的管接头,既不影响燃油压力低告警功能,又可以监控燃油压力的实际值。在试验过程中,一旦发现增压泵后燃油压力数值异常,便提醒操作员降低飞行高度或者打开飞机油箱增压泵,避免造成不必要的损失。
2.计量燃油流量和计量燃油压力的测试。燃油系统首要的任务就是保证航空发动机各种工作状态下的燃油需求,燃油调节器便是完成该任务的执行机构。
电子控制器根据发动机状态输出计量油针给定信号至泵调节器,泵调节器接收到信号后输出相应的燃油,并将计量油针反馈信号传输给电子控制器。泵调节器理论供油流量和实际供油流量有一定的误差,误差超出一定范围时就会影响发动机正常工作。通过对泵调节器出口对计量燃油流量和燃油压力进行测试监控,实现泵调节器实际供油流量和理论供油流量的对比分析,实时监控泵调节器的工作特性。当发动机出现超转现象时,电子控制器控制超转放油阀按照既定规律工作,可以避免飞机因发动机超转停车而失去动力。
3.控制系统测试。控制系统集信号采集与处理、故障诊断与对策、控制方法与控制规律于一体,主要由传感器、电缆和电子控制器等组成,其中电子控制器软件和硬件结合在一起成为控制系统的核心部件。在正常使用过程,电子控制器将发动机状态参数和控制系统故障告警信号输送至台面仪表,但是传感器和电子控制器的工作特性无法监控。为了在整机试验和科研试飞时,实时掌握控制系统工作状态,便于故障的排查和分析,可以对控制系统进行测试改装,在电子控制器方案设计时,便充分考虑了整机试验和科研试飞测试改装的需要,对其通讯端口进行了余度设计。在发动机整机试验时,电子控制器和监控计算机进行通讯,实时监控发动机及控制系统工作状态。监控计算机能实时显示信号参数及试验曲线、开关量状态、故障告警信息等,还具有数据存储功能,在科研试飞时,电子控制器可以和飞机遥测系统进行数据传输,但是飞机遥测系统只能将少量关键信息传输至地面监控系统,实现航空发动机及控制系统的实时监控。通过将整机试验监控计算机通讯接口处安装一个控制系统数据记录仪,可以详细记录存储试验过程燃油与控制系统的信息,以便进行曲线回放和分析,也为燃油与控制系统安全性评估及故障排查提供依据。
三、我国未来燃油和控制系统的发展趋势
1.供油系统的加强。我国研发的军用发动机主要是以燃油和控制系统为主导地位,采用新型的燃油泵控制系统同科学的电子硬件相结合,共同提高FADEC系统的工作性能。运用科学的控制系统和合理的控制算法可提高发动机的控制指令,不仅可以提高控制系统的使用寿命,同时还可以降低研发控制系统的成本。而降低供油系统的成本也成为学者的研究目标,研究表明当燃油的温升在20-30℃之间时,供油系统的质量便可减轻一半,这就大大的提高了供油系统的使用寿命。为了降低燃油系统对污染的增加,我国研制的军用发动机多采用离心式油泵,进而取代原有的齿轮泵和柱塞泵。但离心泵在工作过程中有弊端,即在小流量时效率较低,便会造成燃油温度的升高,因此,专家研发得出通过调节泵的工作转速来调节燃油泵的供油量。
2.先进技术和科技的应用。我国军用发动机的燃油和控制系统中,应用了先进的技术和科技,采用耐高温的半导体元件可耐高温350℃、应用最先进的高温光电技术测量装置、采用砷化镓材质作为集成电路、高速处理器可达每秒一亿次以及高性能的复合材料。在军用航空发动机控制系统的设计上运用先进的分析和检测软件。在发动机研制过程中,应加强计算机辅助的设计理念,在燃油附件中利用先进技术进行改造,从发动机的工装设计、产品设计、工艺设计以及编程等方面共同发展,提高发动机的质量,节省研制时间。要利用先进的技术积极展开对控制系统和综合控制系统的研发工作,加强对FADEC技术的研发,利用智能传感器、数字执行机构、数据通讯、网络技术等进行发动机的研发。
结束语：近lO年来，国内外航空发动机燃油与控制系统的研究已取得了很大的进步。伴随中国航空发动机的自行研制过程，中国的燃油与控制系统的研制也已达到了较高水平。航空发动机控制系统设计人员应通过深入开展重点工程型号研制和预研工作，追赶世界先进水平，并应有自己的独创之处。
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,2019,03:1-5+10.