航空发动机控制基础课件

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(VBV variable bleed valve、VSV variable stator vane)提高发动机的性能（涡轮间隙控制TCC）早期：早期：单变量控制单变量控制基本的安全考虑基本的安全考虑发展：发展：多变量监控多变量监控以安全为主兼顾性能以安全为主兼顾性能成熟成熟全权限监控全权限监控以安全为主兼顾性能和经济性以安全为主兼顾性能和经济性未来未来全权限数字电子控制全权限数字电子控制以安全为主兼顾性能、经济性和以安全为主兼顾性能、经济性和环保性环保性 CFM56 FADEC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 aircraft engine control 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内容自动控制的基本概念自动控制的基本概念民航发动机控制的内容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 f p m w f n y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 p m wf n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N1 EPRWf 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 Wf n双、三转子的涡喷和涡扇发动机 Wf nH Wf EPR Wf c c*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v超转限制v超温限制v超压限制v超功率限制 民航发动机的控制类型v机械液压式控制 JT8D JT9D-7J PT6Tv监控型电子式控制 JT9D-7R4 CFM56-3 RB211-535E4v全权限数字电子控制 PW4000 V2500 CFM56-5 Trent GE90第三章 燃油泵内容内容齿轮泵的工作原理齿轮泵的工作原理油泵供油量的调节特性油泵供油量的调节特性 供油元件：燃油泵v油泵：是一种将机械能转化为液压能的机械。v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 3.2 齿轮泵齿轮泵 影响供油量的因素影响供油量的因素1 1 泄漏损失泄漏损失由间隙、压差、温度引起由间隙、压差、温度引起径向间隙和轴向间隙径向间隙和轴向间隙 充填损失充填损失吸油腔压力过低、无效容积的影响和泵转速过高吸油腔压力过低、无效容积的影响和泵转速过高2 2 转速对供油量的影响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。高转速可以提高供油量，但是提高有限度。目前油泵转速在目前油泵转速在50005000转转/分以下，要求齿顶的切分以下，要求齿顶的切线速度线速度VmaxVmax1010米米/秒秒 3 3 齿数对供油量的影响齿数对供油量的影响标准齿轮节圆直径标准齿轮节圆直径齿轮模数齿轮模数m m：指相邻两轮齿同侧齿廓间的齿距指相邻两轮齿同侧齿廓间的齿距t t 与圆周率与圆周率的比值的比值Z:Z:齿数齿数 4 4 齿宽对供油量的影响齿宽对供油量的影响 供油量与齿宽供油量与齿宽b b成正比成正比 齿宽一般不超过齿宽一般不超过1010m m 四四 齿轮泵的供油量调节齿轮泵的供油量调节 齿轮泵是定量泵，工作容积可改变，当齿轮泵是定量泵，工作容积可改变，当p p不不变时，流量变时，流量Q Q与转速与转速n n成对应关系。成对应关系。供油量的调节不能靠泵内部的调节，可以通过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。以下方法调节供油量。3 3 旁路回路调节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，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。必须采用变量泵。柱塞泵柱塞泵工作原理图工作原理图 吸油过程：柱塞伸出吸油过程：柱塞伸出VpVp吸油；吸油；压油过程：柱塞缩回压油过程：柱塞缩回VpVp压油压油 柱塞泵柱塞泵 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。得较高的压力。柱塞泵特点：柱塞泵特点：（1 1）柱塞和转子配合间隙容易控制，密封性好，容柱塞和转子配合间隙容易控制，密封性好，容积斜率高积斜率高0.93-0.950.93-0.95。（2 2）高压泵，结构复杂，价格贵，使用环境要求高。高压泵，结构复杂，价格贵，使用环境要求高。（3 3）柱塞数通常为柱塞数通常为7 7、9 9、1111个，单数，减小脉动。个，单数，减小脉动。（4 4）排量取决于泵的斜盘倾角排量取决于泵的斜盘倾角。2 2 增加转速增加转速 会增加零部件的磨损、影响寿命，还会使油液的填充会增加零部件的磨损、影响寿命，还会使油液的填充恶化。恶化。3 3 斜盘角度斜盘角度r r16r r16。斜盘工作面常采用锥形或圆形面斜盘工作面常采用锥形或圆形面4 4 柱塞安装角柱塞安装角（1313。1515。）柱塞泵的特性（柱塞泵的特性（Q,n,pQ,n,pinin,p,poutout,),)1 1 供油量与转速关系供油量与转速关系2 2 供油量调节特性供油量调节特性3 3 供油量供油量 压差特性压差特性4 4 汽隙特性汽隙特性低压区产生气泡低压区产生气泡高压区气泡挤压破灭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。撑和柱塞摆动头。第三章 燃油泵内容内容离心泵的工作原理离心泵的工作原理各类油泵供油量的调节特性各类油泵供油量的调节特性 离心泵离心泵优点：优点：转速高，供油量大转速高，供油量大供油稳定，无脉动供油稳定，无脉动运动部件少，结构简单，比重量小运动部件少，结构简单，比重量小抗燃油污染性好，寿命高抗燃油污染性好，寿命高缺点：缺点：效率低，低转速时压力低效率低，低转速时压力低对抗气蚀性能要求高对抗气蚀性能要求高调节性能差（低转速）调节性能差（低转速）第四章 传感器内容内容转速传感器的工作原理和应用转速传感器的工作原理和应用元件的自稳性元件的自稳性 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 转速转速一一 机械离心式机械离心式输入量输入量 n n输出量输出量 y y 特性分析特性分析1 1 元件的灵敏度（元件的灵敏度（n-y)n-y)低灵敏区低灵敏区 可用工作区可用工作区 临界转速临界转速n ncrcr 2 2 元件的不灵敏区元件的不灵敏区不灵敏区（迟滞区）不灵敏区