基于AMESim的涡桨发动机燃油调节系统改进仿真

2023-07-07刘培培

航空发动机 2023年3期

刘培培，马静

（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）

0 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。

Bernardini[9]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。

图1 燃油调节系统原理

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。

图2 供油执行子系统工作原理

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3 油门开关结构原理

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；ρ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=Gθ，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；θ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。

图4 油门开关模型

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。

图5 剩油回油活门结构原理

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

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

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。

图6 剩油回油活门模型

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。

图7 供油执行子系统模型

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。

图8 指令控制子系统工作原理

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。

图9 指令控制子系统模型

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。

图10 飞行修正子系统工作原理

在AMESim 平台建立飞行修正子系统模型如图11所示。

图11 飞行修正子系统模型

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。

图12 某型涡桨发动机燃油调节系统模型

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。

图13 供油量随油门杆角度变化

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1 供油量随油门杆角度变化试验数据与仿真结果对比

表中，α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Δp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Δp，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0.7～1.6 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。

图15 油窗改进前后供油量随油门杆角度的变化

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；ΔG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。