矢量噴管作動機構故障模式回中設計

蘆海洋，王曦，王華威，王棟，王大迪

（1.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191；2.先進航空發動機協同創新中心，北京100191；3.西安航空動力控制科技有限公司，西安710077）

矢量噴管作動機構故障模式回中設計

蘆海洋1，2，王曦1，2，王華威1，2，王棟1，2，王大迪3

（1.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191；2.先進航空發動機協同創新中心，北京100191；3.西安航空動力控制科技有限公司，西安710077）

針對故障模式下矢量噴管應急回中問題，提出一種關于矢量噴管作動筒回中孔結構的設計方案。基于流體動力學平衡方程，建立應急回中裝置的非線性數學模型。就設計過程中設計參數多于方程個數的求解，采用進油孔直徑、活塞速度分段求解非線性方程組和作動筒左、右兩腔仿真調試的組合方法，獲得限定速度段內滿足作動筒回中性能要求的回中孔結構參數。AMESim仿真結果表明，矢量噴管作動筒回中結構參數，能滿足噴管作動筒在任何工作狀態下一旦出現故障迅速應急回中的要求，進入回中狀態后能以足夠的回中位置精度保持其安全的非矢量控制狀態。

航空發動機；作動筒；矢量噴管；流體動力學；回中速度；回中位置精度

1　引言

敏捷性和過失速機動是當前航空發達國家在戰斗機改裝、研制和設計中頗受青睞的兩個熱點［1］。美國已于20世紀80年代測試了先進矢量噴管的相關性能，表明矢量推力技術將在促進未來戰斗機發展方面起到很大作用［2］；歐洲，矢量推力技術最早應用于EJ200發動機［3］。當前，矢量推力技術的最新突破，體現在新型合成射流作動器的研制成功［4］、氣體熱力學特征對矢量推力性能影響的評估［5］、基于離子推進器移動網格的矢量推力系統設計［6］、基于空氣動力學和矢量推力的棲息軌跡優化［7］等方面。

目前矢量噴管的結構形式主要有3種：折流板式矢量噴管、軸對稱矢量噴管和二元矢量噴管，其中軸對稱矢量噴管又可分為萬向節頭式和作動環式2種［8］。在軸對稱矢量噴管作動筒控制回路液壓機械設計中，常采用電液伺服閥式伺服控制，以使系統響應更快，控制精度更高［9］。有研究人員還針對軸對稱矢量噴管，開發了優化設計程序，給出了建立數學模型、選擇優化設計目標函數的一般方法，并指出軸對稱矢量噴管是當前最具實用價值的飛機矢量推力裝置，而下一代的矢量推力裝置將采用質量較輕的球面收斂片矢量噴管和氣動矢量噴管［10］。為避免建立的矢量噴管液壓執行機構的運動學數學模型計算量過大，一些學者對數學模型中的隱函數關系進行了顯化處理［11］。針對軸對稱矢量噴管控制中3個執行機構非等時同步運動問題，最終需要實現在任意給定偏轉角和方位角下，可以使矢量噴管穩定、快速、精度高地達到目標狀態［12］。

矢量控制技術的發展對提高戰斗機性能的作用是顯而易見的，但實際應用中不能始終保證噴管矢量控制在安全狀態下工作。如發動機工作期間，伺服元件的電液伺服閥出現故障，將導致數字控制的矢量噴管液壓機械裝置失效，噴管控制系統一旦失效，矢量噴管的無序氣動性將對飛機的飛行安全造成嚴重威脅，矢量噴管的控制需降級到應急回中控制狀態［13］。針對這一問題，本文分析了矢量控制和應急回中控制的原理機制，推導了流體動力學方程，最終設計的矢量噴管應急回中裝置能確保出現故障時快速退出矢量控制狀態，進入非矢量控制狀態，回中速度和回中位置精度滿足要求。

2　工作原理分析及建模

研究對象為作動環式軸對稱矢量噴管。其液壓機械控制裝置應急電磁閥在正常狀態下處于關閉狀態，高壓油進入轉換活門左腔，使得左腔中的油壓升高；同時，右腔和低壓油接通，右腔中油壓降低；最終彈簧被壓縮，轉換活門向右運動，受電液伺服閥控制的兩路油被溝通，通過單向閥的兩路油被切斷。矢量控制狀態下，與A9（擴散噴管流通面積）作動筒活塞相連的LVDT位移傳感器將位移信號反饋給電子控制器，電子控制器輸出的電信號可使電液伺服閥調制送往作動筒的油量，實現對作動筒活塞的閉環控制。矢量狀態下液壓系統原理見圖1。

圖1　矢量控制狀態下矢量噴管液壓機械控制裝置工作原理Fig.1 Working principle of hydraulic mechanical control device in vector control state

矢量噴管液壓機械控制裝置應急電磁閥在故障模式下處于打開狀態，此時轉換活門左右兩腔都與油箱相連，轉換活門左右兩端面受到的燃油壓力相互抵消，轉換活門右端面受到壓縮彈簧彈性力的作用而向左運動。當轉換活門處于左位時，電液伺服閥調制的兩路油被切斷，電液伺服閥失去對作動筒運動的控制權，變成純液壓機械控制模式——即由進油孔和回中孔面積決定回中速度，由回中孔位置決定回中精度。矢量噴管應急回中狀態下的液壓系統原理如圖2所示。

圖2　應急回中狀態下矢量噴管液壓機械控制裝置工作原理Fig.2 Working principle of hydraulic mechanical control device in emergency return state

根據以上分析，建立如圖3所示的A9單作動筒液壓機械控制裝置仿真模型，該仿真模型能實現正常狀態下的矢量控制和應急回中狀態下的非矢量控制功能。本文主要關注應急回中狀態下的非矢量控制，下文介紹的A9作動筒回中孔結構設計方法需在該仿真平臺上驗證。

圖3　矢量噴管液壓機械控制裝置仿真模型Fig.3 Simulation model of vector nozzle hydraulic mechanical control device

3　回中裝置非線性數學模型

基于流體動力學平衡方程所建立的回中裝置非線性數學模型中，左、右極限位置回中的數學模型方程均為5個，而待求未知量為7個。待設計的參數為作動筒進油孔直徑和回中孔直徑，7個變量中只需限定2個變量就可以求解所有變量，從而得到需要設計的參數。根據工程需要，可將進油孔直徑和作動筒閥芯速度在合適的取值范圍內劃分成若干網格，代入到左、右極限位置回中的5個非線性方程組中求解未知變量，非線性數學模型［14］如下。

（1）右極限位置回中數學模型

無桿腔進油流量和出油流量相等：

有桿腔進油流量和出油流量相等：

經過冷卻孔的流量：

活塞的運動速度：

作用在活塞左、右端面的壓力相等：

（2）左極限位置回中數學模型

有桿腔進油流量和出油流量相等：

無桿腔進油流量和出油流量相等：

經過冷卻孔的流量：

活塞的運動速度：

作用在活塞左、右端面的壓力相等：

以上各式中：D為作動筒無桿腔的活塞直徑，d為作動筒有桿腔的活塞桿徑，pm為進口燃油壓力，p0為出口燃油壓力，Cd為流量系數，ρ為燃油密度，A1為活塞左端面面積，A2為活塞右端面去除桿徑部分的面積，Ain為作動筒左腔和右腔進油孔面積，din為進油孔直徑，Are為回中孔面積，dre為回中孔直徑，v為作動筒活塞運動速度，Q1、Q2分別為隨活塞運動時左右兩腔的燃油流量，pA為作動筒左腔中燃油壓力，pB為作動筒右腔中燃油壓力。非線性方程組求解程序步驟［15］如圖4所示。

圖4　非線性方程組求解程序步驟Fig.4 Procedure for solving nonlinear equations

運行解非線性方程組的程序，矢量噴管極限位置回中數學模型求解結果如圖5和圖6所示，圖中橫坐標和縱坐標都做了歸一化處理。分析可知，右極限數據模型求解得到的數據要求進油孔直徑設計得較大，以使右腔的壓力滿足工程使用需要；相反，左極限數學模型求解得到的數據要求進油孔直徑設計得較小，同樣是為了保證右腔的壓力滿足工程使用需要。綜合考慮，取din=0.833。然而，該din值對應的dre有較多的點，選擇時需考慮以下兩點：①優先選擇左、右極限位置回中數學模型在相同din和v值下的共同解；②無共同解情況下，選擇的dre可通過反插值得到左、右極限位置回中的v，并使其在［0.83 1.00］之間。最終取dre=14mm。

圖5　矢量噴管右極限位置回中數學模型求解結果Fig.5 Solution results of vector nozzle mathematical model back from the right limit position

圖6　矢量噴管左極限位置回中數學模型求解結果Fig.6 Solution results of vector nozzle mathematical model back from the left limit position

為驗證上述算法的正確性，將din值輸入到AMESim仿真平臺，同時將dre分為五組（2、5、8、11、14 mm）來測試矢量噴管作動筒應急狀態下回中所需要的時間。dre取值對矢量噴管應急回中的影響如圖7所示。當dre=2 mm時，矢量噴管作動筒在左極限位置應急回中時表現為無法停留在指定位置，而在右極限位置應急回中時表現為應急回中速度慢、回中時間長，可見dre較小時不能滿足應急回中要求。當dre較大時，左極限位置應急回中所需時間變化較小，而右極限位置應急回中所需時間變化較大，且dre越大右極限位置回中所需的時間越少。但需注意，由于對矢量噴管作動筒的最大速度有限制，因此dre也不能取得太大。綜上，當dre=14 mm時，矢量噴管作動筒從左、右極限位置回中的過程中都具有良好的作動性能，回中時間小于2.5 s，滿足工程需要，同時也證明了求解算法的正確性。

回中孔直徑確定后，即可計算出回中孔面積Are=153.48 mm2。工程中，通常將這樣的大孔按面積總和相等的原則分解為若干個小孔。為此，本文將直徑14 mm的大孔近似分為12個直徑為4 mm的回中孔。

圖7　回中孔直徑對矢量噴管應急回中的影響Fig.7 The influence ofdrevalue on emergency return of vector nozzle

除滿足回中速度要求外，還應滿足回中位置精度要求，這就需要確定12個回中孔的具體位置。計算方法如下：當作動筒活塞應急回中速度停止時，活塞速度V=0，代入式（1）～式（10），求解非線性方程組可得到活塞左端面與回中孔間的相對開度面積Ares，作動筒負荷不變時，開度面積固定。假設矢量噴管經過應急回中運動可停留在指定位置，此時12個回中孔孔心所在平面和指定位置所在平面間的距離Δ，可通過求解式（11）得到。最終確定的矢量噴管作動筒回中孔結構方案如圖8所示。

圖8　矢量噴管作動筒回中孔結構Fig.8 Oil return hole structure of vector nozzle actuator

對12個回中孔結構方案的仿真模型進行仿真，矢量噴管作動筒從左、右極限位置回中，都能在規定時間內準確回到指定位置，如圖9所示。

圖9　從左、右極限位置回中時矢量噴嘴作動筒位移Fig.9 Vector nozzle actuator displacement returning from the left/right limit position

4　結論

（1）針對矢量噴管液壓機械裝置故障模式下回中功能的安全性設計要求，提出了一種新型實用的回中結構設計方法，并通過建立的矢量噴管作動伺服機構回中裝置的AMESim仿真模型，驗證了設計方法的有效性。

（2）提出的根據流體動力學建立的數學模型動態分析方法，清晰直觀地反映了作動筒活塞隨著進油孔和出油孔的直徑及其位置變化而變化的運動規律，并結合回中裝置的工作特點，提出了解決故障模式下矢量噴管應急回中問題的思路。

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Return structure design of vector nozzle actuating mechanism in fault mode

LU Hai-yang1，2，WANG Xi1，2，WANG Hua-wei1，2，WANG Dong1，2，WANG Da-di3
（1.School of Energy and Power Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.Collaborative Innovation Center for Advanced Aero-Engine，Beijing 100191，China；3.Xi'an Aero-engine PLC，Xi'an 710077，China）

Aimed at the problem of vector nozzle returning back in emergency,an oil return hole structure design scheme of vector nozzle actuator was proposed,and based on the fluid dynamics equilibrium equation,nonlinear mathematical model of return mechanism was established.To solve the problem that the number of design parameters is more than that of the equation,the method of solving nonlinear equations by segmentation of velocity of vector nozzle actuator and diameter of fuel feed hole and the method of simulation and debugging of the actuator simulation model together were combined,and then the actuator structure parameters meeting the performance requirements in the limit velocity section were obtained.The AMESim simulation results show that the design scheme and parameter of the return structure can meet the demand of returning back fast in any working condition,once the aero-engine vector nozzle control system failed.After entering the return state,high return position accuracy can assure the safe control state of non-vector in fault model.

aero-engine；actuator cylinder；vector nozzle；fluid dynamics；return speed；return displacement precision

V233.7+57

A

1672-2620（2016）03-0043-06

2015-06-29；

2015-12-12

蘆海洋（1991-），男，河南新鄉人，碩士研究生，研究方向為航空發動機液壓控制系統建模與仿真、控制系統故障診斷及健康管理。