航空发动机控制基础

航空发动机控制基础航空工程学院航空发动机（燃气涡轮发动机）推力工作原理飞机在不同的飞行阶段，需要不同的推力起飞、爬升、巡航、下降、进近、着陆、复飞此外，飞行条件也在不断变化。进气道压气机燃烧室喷管涡轮控制发动机的推力或功率输出以满足飞机的需要。燃油系统将清洁的、无蒸汽的、经过增压的、计量好的燃油输送给燃烧室。燃油量的多少要由燃油控制器给出保证发动机的安全工作。不熄火、不超温、不超载、不喘振、不超转防止压气机的喘振(VBVvariablebleedvalve、VSVvariablestatorvane)提高发动机的性能（涡轮间隙控制TCC）早期：单变量控制——基本的安全考虑发展：多变量监控——以安全为主兼顾性能成熟全权限监控——以安全为主兼顾性能和经济性未来全权限数字电子控制——以安全为主兼顾性能、经济性和环保性CFM56FADEC系统的功能航空动力装置控制包括：进气道控制、发动机[核心机]控制、排气装置控制航空发动机控制基础aircraftenginecontrol根据自动控制原理运用机械、液压、气压、电气等控制装置使航空发动机自动地按预定规律工作，以便发动机在各种飞行条件下能安全工作并获得最佳的或接近最佳的性能。涉及的内容控制理论、发动机原理、气体动力学、工程热力学、机械、液压、电子、计算机等各方面的知识。航空发动机对控制装置的基本要求保证最有效的使用发动机，最大限度地发挥其潜力最大状态巡航慢车航空发动机对控制装置的基本要求保证动力装置稳定工作，控制精度高有极强的抗干扰能力调节的准确度要高航空发动机对控制装置的基本要求良好的动态品质控制的动态过程要有较好的快速性，而且过程要平稳航空发动机对控制装置的基本要求可靠性高，维护性好采用分布式结构降低控制系统的复杂性将控制器安装在远离发动机的区域采用砷化镓和碳化硅制造电子元器件提高系统的耐高温、抗振动和抗电磁干扰的能力航空发动机对控制装置的基本要求可更改性好，满足先进发动机对控制不断增加的要求航空发动机对控制装置的基本要求结构简单、重量轻、体积小、安装方便第二章民航发动机的控制内容自动控制的基本概念民航发动机控制的内容自动控制的基本概念被控对象:发动机控制装置：转速控制器（虚线内部分）控制系统：被控对象＋控制装置被控参数：转速可控变量：用来改变被控参数大小的因素干扰作用量：作用在被控对象/控制装置上，能够引起被控参数变化的外部作用量给定值：驾驶员的指令值控制作用量：能改变给定值大小的作用量调准和调准机构：改变控制作用量的过程及其机构过渡过程和平衡稳定过程结构简图r控制系统的基本控制方式：开环控制闭环控制闭环控制特点：在控制器输入量和被控对象之间，不仅存在正向作用，而且存在反馈作用反馈是将输出返回到输入量的入口结构简图fpmwfny执行元件供油元件发动机放大元件敏感元件闭环控制：控制比较精确，在现代飞机上被广泛使用反应不够及时，被控参数发生偏离，才开始动作，干扰量连续变化，系统工作不稳定偏离原理控制开环控制：开环系统是一种最简单的控制方式，特点是在控制器和被控对象之间只有正向作用，而没有反馈，即系统的输出量对控制量没有影响。fpmwfn放大元件放大元件放大元件放大元件敏感元件开环控制:反应及时，控制系统和被控对象（发动机）同时感受外界所有的干扰量变化，控制装置变化与发动机变化同步，稳定性好。控制精度差不能感受所有的干扰量对发动机内部的变化无法感知开环与闭环控制系统的比较闭环系统引入了反馈，精度高，可以采用成本较低，精度不太高的元件构成精度较高的控制系统开环系统没有纠正偏差的能力，当受到干扰时，会引起系统精度降低，它的精度完全取决于系统元器件的精度和调整的准确度复合控制放大元件执行元件供油元件发动机敏感元件指令机构敏感元件思考题闭环控制的原理是什么民航发动机控制的内容发动机控制内容有：燃油流量控制空气流量控制涡轮间隙控制冷却控制其它系统控制涡桨、涡轴发动机控制超音速民航机控制发动机控制的目的稳态控制：保持既定发动机的稳定工作点过渡控制：快速而又稳定可靠极限控制：保证发动机的主要参数不超出安全限制稳态控制目的：为了获得所需要的推力和功率转速控制压力比控制慢车控制反推力控制加力控制进气道控制被控参数和可控变量表征发动机推力的量N1EPRWf燃油流量Ae喷管出口面积控制方案（调节规律或调节计划）根据外界干扰（飞行高度和速度的变化）和驾驶员的指令来改变可控变量，以保证发动机被控参数不变或者按预定的规律变化，从而达到控制发动机推力的目的。不带加力的单转子涡喷发动机Wfn双、三转子的涡喷和涡扇发动机WfnHWfEPRWfπc*过渡控制目的：过渡过程能迅速、稳定、可靠的进行启动控制加速控制减速控制压气机防喘控制加力接通及关闭控制等压气机控制在启动、加速和减速过程中保证压气机稳定工作，不发生喘振控制方案（程序控制）1按转速n的压气机控制。2按压比进行控制3按n2和压气机进口温度控制VBV、VSV4按相似转速控制5按照n1、n2、大气总温、进口温度、环境压力、飞行马赫数、推力杆角度等进行逻辑控制。FADEC安全限制超转限制超温限制超压限制超功率限制民航发动机的控制类型机械液压式控制JT8DJT9D-7JPT6T监控型电子式控制JT9D-7R4CFM56-3RB211-535E4全权限数字电子控制PW4000V2500CFM56-5TrentGE90第三章燃油泵内容齿轮泵的工作原理油泵供油量的调节特性供油元件：燃油泵油泵：是一种将机械能转化为液压能的机械。根据用途分类：燃油泵供应带压力的燃油（航空煤油）滑油泵供应滑油以及其他特殊需要的液体（水）液压泵为液压系统提供动力油根据供油原理分类：容积式泵：抽吸元件作相对运动，改变元件间的自由容积，进行吸油和挤油。供油量的大小取决于一次循环中自由溶积的变化大小。压力的大小理论上与供油量无关。柱塞泵、齿轮泵、旋板泵叶轮式泵：叶轮做旋转运动，增加液体的动能和压力能，在叶轮后的扩压器中，再将动能转化为压力位能。离心泵、螺旋泵、汽心泵等根据供油元件一次循环索提供的油量是否变化，分为：定量泵和变量泵柱塞泵容积式齿轮泵（定量）旋板泵航空发动机油泵离心泵叶轮式螺旋泵（定量）汽心泵（变量）目前用的最多的是：轴向倾斜式柱塞泵和渐开线直齿外啮合齿轮泵航空发动机对齿轮泵的要求：重量小；在额定共有压力范围内，有较高的效率；结构简单，安全可靠，寿命长；抵抗污染能力强；适应环境能力强；在转速不变的情况下，可以方便、合理的大范围调节供油量等。3.2齿轮泵影响供油量的因素1泄漏损失由间隙、压差、温度引起径向间隙和轴向间隙充填损失吸油腔压力过低、无效容积的影响和泵转速过高2转速对供油量的影响高转速可以提高供油量，但是提高有限度。目前油泵转速在5000转/分以下，要求齿顶的切线速度Vmax10米/秒eDVnmaxmax1000603齿数对供油量的影响标准齿轮节圆直径齿轮模数m：指相邻两轮齿同侧齿廓间的齿距t与圆周率π的比值Z:齿数mzdj4齿宽对供油量的影响供油量与齿宽b成正比齿宽一般不超过10mnzdbQj)/(22四齿轮泵的供油量调节齿轮泵是定量泵，工作容积可改变，当△p不变时，流量Q与转速n成对应关系。供油量的调节不能靠泵内部的调节，可以通过以下方法调节供油量。3旁路回路调节旁路调节是定量泵调节供油的唯一方法，但是会引起温升，对于高性能的发动机节流比较大，必须采用变量泵。柱塞泵工作原理图吸油过程：柱塞伸出→ΔV↑→p↓→吸油；压油过程：柱塞缩回→ΔV↓→p↑→压油柱塞泵出口压力受到流动阻力的限制，低转速下仍然可以获得较高的压力。柱塞泵特点：（1）柱塞和转子配合间隙容易控制，密封性好，容积斜率高0.93-0.95。（2）高压泵，结构复杂，价格贵，使用环境要求高。（3）柱塞数通常为7、9、11个，单数，减小脉动。（4）排量取决于泵的斜盘倾角γ。2增加转速会增加零部件的磨损、影响寿命，还会使油液的填充恶化。3斜盘角度rr16。斜盘工作面常采用锥形或圆形面4柱塞安装角ө（13。—15。）5000~3000nsinlD柱塞泵的特性（Q,n,pin,pout,η)1供油量与转速关系2供油量调节特性3供油量压差特性4汽隙特性低压区产生气泡—高压区气泡挤压破灭这种气泡生灭过程及伴随而来的液压撞击：汽隙现象柱塞泵主要优点是供油量可以调节为了减少柱塞头与斜盘表面的磨损，采用油膜支撑和柱塞摆动头。第三章燃油泵内容离心泵的工作原理各类油泵供油量的调节特性离心泵优点：转速高，供油量大供油稳定，无脉动运动部件少，结构简单，比重量小抗燃油污染性好，寿命高缺点：效率低，低转速时压力低对抗气蚀性能要求高调节性能差（低转速）第四章传感器内容转速传感器的工作原理和应用元件的自稳性对发动机的准确控制，首先要准确的测量影响发动机性能的各种信息例如：高度、速度、温度、压力、转速、流量等传感器：将被测的某一物理量（信号）按一定的规律转换成与其对应的另一种（或同种）物理量（信号）输出的装置非电物理量——电量信号包含：敏感元件和转换元件完成信息测量和转换作用的元件叫敏感元件或测量元件对测量元件的要求：灵敏性好迟滞性小准确性好抗干扰性强转速一机械离心式输入量n输出量y特性分析1元件的灵敏度（n---y)低灵敏区可用工作区临界转速ncr2元件的不灵敏区不灵敏区（迟滞区）转速改变，导杆不移动迟滞系数012nnnn3元件的自稳定性转速不变，调准弹簧力不变，元件保持给定位置的一种能力。轴向换算力弹簧力n1n2n3低转速A具有稳定性高转速B不具有稳定性这种转速传感元件在低转速区敏感性不好，稳定性好在高转速区敏感性好，但稳定性差只能在某一转速范围内使用，可以采取恰当的飞重参数扩大工作范围。4动态特性元件在过渡过程中的特性。最好的情况是:转速或弹簧力发生突变时，导杆迅速而且没有震荡的达到新的平衡点。导杆和飞重块质量都很小，弹簧刚度比较大。这样可以忽略掉惯性力和阻尼力的影响。5结构为了提高灵敏度，应设法减少摩擦力飞重支承上安装滚珠轴承或摆动销使分油活门与飞重一起旋转，将静摩擦变为动摩擦。将元件浸在油中，使干摩擦变为湿摩擦。为了减少振荡的影响，飞重浸在油中旋转。温度会对灵敏度产生影响。1飞重比重大，体积小2采取温度补偿装置二脉冲式转速传感器变磁阻式转速敏感元件81044.4fZEsg遮断射流式转速敏感元件气动式转速敏感元件第四章传感器(2)内容压力工作原理及应用压力和压力比敏感元件感受的是压力（压力差）和压力比变化输入信号Δp输出信号机械位移Δy或者晶体振荡f压力敏感元件由感受器和信号转换器两部分组成感受器：静压管总压管信号转换器：活门(刚性元件)薄膜(弹性元件)一、薄膜薄膜的调节准确度低薄膜的准确度限制最大位移量，滞环就会减少，所以薄膜的位移一般不大于1—2毫米%100maxmaxyyy二、膜片和膜盒膜片是用金属材料制成的圆形薄片优点机械强度高，刚性大位移特性直线性好，滞环小装配情况对特性的影响小。膜片测量的压差比薄膜大，可达30kg/cm2缺点：温度影响大，不适宜在宽广的温度范围内工作膜片的形状平面膜片的线性段很短，仅适用于位移量不大的情况波纹膜片加大了线性段的长度，增加输出位移。梯形波纹易保证线型特性，锯齿形波纹相对较差多道波纹膜片对性能起主要作用的是边缘的一道波纹（外波纹）膜片材料：铍青铜、锡青铜、磷青铜和不锈钢膜盒为了增加膜片的输出位移，可以将两个膜片沿圆周边缘焊接起来，即成膜盒。几个膜盒叠加在一块，就是膜盒组膜盒和膜片一样，都有滞环，不过小的多，但是敏感性差。要求膜盒与磨盒组必须保证绝对的密封，膜盒边缘的焊接强度不高，不能承受高压。三、波纹管具有波形皱纹的同心表面的薄壁圆筒。波纹管结构简单，在压力差下会产生很大的位移和力，广用来测量气体和液体的压力或压差。环境压力和温度对波纹管的性能有很大影响，为了补偿这种影响造成的误差，通常将两个相同的波纹管组合起来。波纹管的形式有单层的、双层和多层的，有时，内