基于AMESim的某型涡轴发动机燃油调节器建模仿真

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航空涡轴发动机是以空气为做功工质的燃气涡轮发动机的- 种，其物理结构和使用性能与其它的燃气涡轮发动机有着较大的区别，它是主要靠输出轴功率带动负载工作的燃气涡轮发动机。其特点是将动力涡轮有效功率的绝大部分(95%以上)通过输出轴带动负载1。典型的航空涡轴发动机的负载是直升机旋翼，在地面则是坦克履带、发动机组、燃气压缩机等，在海上可以是舰艇的螺旋桨等。因此涡轴发动机的建模方法和控制策略也与其它燃气涡轮发动机的建模方法和控制策略有着较大的区别阁。

仿真技术是以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以仿真计算机和专用的硬件设备为载体构成仿真系统并借助仿真系统对实际或设计的系统进行动、静态实验研究的-门技术。航空仿真技术在航空产品的研究、实验、设计、制造和使用、排故中已成为-项极为重要的技术。在方案研究阶段，可以通过数学建模和计算仿真对设计中的系统硬件和软件进行可行性研究和优化；在研制阶段，可以通过含实物的仿真系统对仿真系统中所包含的实物的功能、性能进行评价，减少不必要的破坏试验、差错和风险，从而大大降低研制成本，加快研制进度 。

2 XX型涡轴发动机结构与工作原理XX型涡轴发动机为自由涡轮式单转子涡轮轴发动机，其结构，如图1所示。由主要部件和工作系统两大部分组成。发动机燃油系统在所有工作状态(包括起动、慢车、正常飞行和最大功率)，供给发动机恰当的燃油流量。此外，燃油系统同电控系统共同工作给出旋翼转速恒定下发动机功率的自动控制-通过调整燃气发生器转速实现。燃油系统包括增压泵、燃油滤、燃艚 油散热器、机械液压调节器、肋(动力涡轮转速)超转活门、燃油管、主燃油来稿日期：2012-06-11基金项目：国家自然科学基金(61179073)作者简介：傅 强，(1974)，男，辽宁人，副教授，硕士生导师，主要研究方向：航空推进系统控制254 机械设计与制造NO.4Apr.2013述 .矢然 焚 化 盯 ，寻 什 明 刀平 ，衡 刀崔 力 ：等相誓F- (3式中：m -导杆质量和 Z个离心块在导杆运动方向的折合质量之和嗍；峭 效阻尼系数〖虑到 y Ay(下标0”表示稳态平衡点)，上式变为：mz 帽 (4)动态过程中调准弹簧力可表示为：( (等)。 ( (s)离心力的轴向换算力可表示为：(y (等)。 ( (6)将 和Fo代人式，并考虑到 ，可得：mz 佃 争(等)0△n(熹 c7伺服油 囫定压油图5离心飞重组件示意图Fig.5 Centrifugal Flyweight Assembly Diagram4燃油调节器仿真及分析将各个部件的AMESim模型 组装”起来 ，构成调节器的AMESim模型，按照该型调节器调试流程对调节器AMESim模型进行调试。如果在某项调试中，仿真结果不满足调试性能要求，则需要按照调试流程中的调整步骤对调节器模型中的相应参数进行调整后从新调试，直到满足调试性能要求；如果满足该项调试性能要求，则进行下-项调试工作直到所有调试内容结束。

仿真给定条件为： 为 15%、负载轴为0。、功率轴放在慢车位置、电子控制器不工作、 从(O～20)s的时间内从 0.103MPa线性增加到 1.2MPa、齿轮泵转速在(0～20)s的时间内从 13(百分比转速)线性增加到l0o(百分比转速)，仿真时间为2Os，时间间隔为0.Ols。调节器输出的燃油流量随时间的变化曲线，如图6所示。仿真结果表明当功率轴放在慢车位置时，发动机转速低于慢车转速(67%)时，燃油流量随着转速与 压力的增加而增加 ；当发动机转速高于慢车转速时，燃油流量将会随着转速与只压力的增加而减小，然后再有所增加。调节器内部定压油油压的变化曲线，如图7所示。仿真结果表明，随着转速的增加，定压油油压略微有所上升，在调节器工作范围内定压活门可以保证定压活门后油压基本恒定。

/ ./ ./ / / 1.7801.775量1.701.765l760l0 l5t(s)图6燃油流量随时间变化曲线Fig.6 Fuel Flow Versus Time Curve klInII-I - 山Il- IIl r”IIf rIl- fI- -r11f O 5 l0 l5t(s)图7定压活门后油压Fig.7 Constant Pressure Valve after the Pressure5燃油调节器半物试车数据与仿真对比将功率轴放在慢车位置，负载轴杆分别放在0。、20、40、60。，运行发动机模型，模型自动起动并加速到慢车。当发动机模型和调节器都达到稳定后切换到调节器控制，此时发动机燃气发生器状态稳定在67%左右的地面慢车状态。然后将功率轴杆缓慢推至最大功率位置(15s左右)，试验仿真发动机从地面慢车加速到空中慢车的过程。通过改变负载轴杆的角度位置，重复进行将功率轴杆从慢车位置推至最大功率位置的过程，得到-系列不同的数据。发动机燃气发生器转速随时间的变化曲线，如图8所示。发动机模型输出的压气机出口压力，如图9所示。仿真结果表明，发动机压气机出口压力与发动机燃气发生器转速的变化趋势基本-致。调节器供给发动机的燃油流量，如图 10所示。其结果表明，调节器供给发动机的燃油流量与发动机燃气发生器转速的变化趋势基本-致。

图 8发动机转速随时间的变化曲线Fig.8 The Engine Speed Changes with Time CurveNo.4Apr.2013 机械设计与制造 255出Ⅱ丑基扩出图9压气机出口压力的变化曲线Fig.9 Air Compressor Outlet Pressure Curve图 l0调节器供给发动机的燃油流量Fig.10 Supply Engine Fuel Flow Regulator5总结机械液压调节器是航空发动机控制系统的重要组成部分，对其进行仿真研究可以提高发动机控制系统的分析和设计水平，也为将来该型发动机调节器的数字电子改造打下 良好的基矗通过与实际半物理试车数据进行对比发现，针对XX型涡轴发动机所建立的燃油调节器所构建的模型与该型调节器半物理试车数据吻合度较高。这也间接表明所建XX型涡轴发动机调节器数学模型具有较高的置信度。