航空發動機燃油和控制系統的研究進展

陶金 李丹（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧沈陽 110043）

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航空發動機燃油和控制系統的研究進展

陶金 李丹
（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧沈陽 110043）

【摘要】隨著我國航空航天的不斷發展，航空發動機的發展也受到專業人士的關注。航空發動機中的燃油和控制系統是航空發動機的核心部分，因此，它們的關注度也隨之加大，本文詳細的闡釋我國和國外軍用的航空發動機中燃油和控制系統的研究現狀及未來的發展方向，并著重對燃油控制、噴口控制、防喘控制以及FADEC等技術特點進行說明，同時提供發動機狀態的研究方向。為我國發動機行業的發展提供了理論依據，很大程度上推動了航空航天技術的發展。

【關鍵詞】航空發動機 燃油系統 控制系統 研究進展

隨著我國航空航天的不斷進步，航空發動機技術的發展也不斷的提高，燃油和控制系統由原來的簡單系統發展到現在的復雜技術，由原來的液壓機械操作發展到現在由全權限數字電子控制（FADEC）進行操作。原有的軍用航空發動機中燃油和控制系統的特點是多變幾何控制能力，而現在的FADEC技術將發動機的故障診斷和監視系統歸入到發動機的控制系統中。在航空航天發展速度較快的今天，防喘控制也受到航天專家的重視。因此，本文將對航空發動機燃油和控制系統的發展進行闡釋，為我國的航空航天發展提供理論依據。

1 我國現階段航空發動機的發展現狀

1.1 燃油控制系統的發展現狀

燃油控制系統是航空發動機的核心控制系統，其主要性能直接影響整個發動機的控制系統，而燃油泵是燃油系統的重要組成部分。燃油泵包括燃油增壓泵和主燃油泵，目前全球各國研制的軍用航空發動機中的燃油增壓泵是采用離心式獨立轉動模式，其增壓能力可達到0.4-0.8MPa；而主燃油泵一般采用的是齒輪泵，主要是由于齒輪泵的體積較小、流量較大。還有一種比較合理的選擇是采用高壓柱塞泵，它既可以作為主燃油泵還可以作為噴口油泵，據調查顯示，該泵使用情況較為普遍，在英國生產的發動機中就采用了高壓柱塞泵作為主燃油泵，最大的出口壓力可達21 MPa，最大的流量也可達每小時10000kg，而近期俄羅斯也研發出了高壓燃油柱塞泵。而通過大量的實驗和應用顯示，在泵油系統中還是應該采用離心泵作為發動機的主燃油泵，其主要特點是制造結構簡單、質地較輕、燃油溫升較少，且質量達到了要求。離心泵在設計上較為簡單，其控制操作也極為方便，但在小流量的啟動過程中其性能較低，因此需要再單獨配置一個啟動泵，這樣將發動機的轉數和流量變為可調控的模式。

1.2 噴管控制系統的發展現狀

發動機的噴管控制系統在航空發動機中也占有舉足輕重的位置，對于發動機尾噴管的介質，我國目前采用液壓油、燃油和滑油，但由于滑油和液壓油的潤滑性較好，可導致噴管油源泵在工作時壓力達到最高。在發動機中使用液壓油系統則可以無需設立獨立的油源系統，但在這樣共同使用液壓油源時，可對飛機的動態操作系統產生不利的影響，還會導致飛機的液壓系統遭到污染。有調查顯示，英國曾采用發動機尾噴管的獨立滑油系統，雖然對噴管的控制得到了靈敏的提升，但在油源系統中增加了油箱和油泵等裝置，使得控制系統的結構更為復雜。目前在我國的軍用發動機中，使用較多的噴管控制系統是以燃油為介質，與此同時，在噴管油源泵的選擇上多以高壓柱塞泵為主。該泵的最大出口壓力可達23 MPa，最大流量可達每小時3600L。

1.3 FADEC技術系統的發展現狀

FADEC技術是新研發的全權限數字電子控制系統，其主要包括傳感器、執行結構、微處理機以及數據的通訊。數據傳感器的使用數量在不斷的增加，致使軍用發動機電纜的質量也有進步，在發動機的燃油和控制系統中，傳感器的質量占有不可或缺的位置。我國對傳感器的研發方向是制造出光纖和智能的傳感器，這將是迎合光纖通信的最大亮點。與此同時，微電子技術也給FADEC的發展提供了電子硬件，隨著電子技術的蓬勃發展，微處理機也越來越受到航空專家的關注。在發動機的數據通訊過程中，通過高速的光纖數據把發動機的智能傳感器和執行機構有效的連接起來，取代了原有的點到點式的串行通訊方式，這樣提高了數據傳輸系統的安全性。在發動機未來的研發過程中，要注重防喘控制等相結合的應用，要做到同監視系統、飛控系統以及火控系統共同結合。FADEC技術可以實施較復雜的控制計劃，用自適應控制系統進行對發動機的綜合控制。

1.4 防喘系統的發展現狀

防喘系統在軍用航空發動機中的主要作用是防止飛機飛行或發射武器時發動機出現喘振和熄火。美國和俄羅斯等國家在軍用發動機上都使用了防喘和消喘的控制系統，同樣的在我國的軍用航空發動機中也應用了數字化的防喘控制系統，并取得了較大的研究進展。我國軍用發動機中防喘控制系統的設計理念是采用有靜壓傳感器的喘振信號器和高響應壓力傳感器，其設計可以利用數字濾波準確的判斷出喘振的征候。不同類型的發動機其采用的防喘控制系統也是不盡相同的。在發動機的研發過程中，進口溫度在90-100℃之內方可保證發動機工作的穩定性，若超過140℃時，發動機會出現瞬間的喘振現象，但發動機自身的防喘控制系統會將其回復到原始的穩定狀態。

1.5 監視系統的發展現狀

在我國軍用發動機中均配置了不同模式的監視控制系統，根據飛機功能的不同配置不同模式的監視控制系統，有的配置專用的監視系統，有的同飛行記錄系統相兼容。我國研制的軍用發動機中的監視控制系統，為了監視發動機在使用過程中關鍵參數的變化情況，監視系統可記錄發動機的工作時間、工作溫度、渦輪葉片的使用壽命系數以及高壓轉子的主、次循環等參數。監視系統在正常工作時，有兩個機構在執行著相應的職責，一個機構執行控制系統，另一個機構執行狀態監視系統，當監控系統出現故障時，就由狀態監視系統進行對發動機的控制，在控制系統出現故障的時間里對飛行的數據和存儲的監視參數進行記錄，以便對監視故障的診斷提供幫助。

2 我國未來燃油和控制系統的發展趨勢

2.1 供油系統的加強

我國研發的軍用發動機主要是以燃油和控制系統為主導地位，采用新型的燃油泵控制系統同科學的電子硬件相結合，共同提高FADEC系統的工作性能。運用科學的控制系統和合理的控制算法可提高發動機的控制指令，不僅可以提高控制系統的使用壽命，同時還可以降低研發控制系統的成本。而降低供油系統的成本也成為學者的研究目標，研究表明當燃油的溫升在20-30℃之間時，供油系統的質量便可減輕一半，這就大大的提高了供油系統的使用壽命。為了降低燃油系統對污染的增加，我國研制的軍用發動機多采用離心式油泵，進而取代原有的齒輪泵和柱塞泵。但離心泵在工作過程中有弊端，即在小流量時效率較低，便會造成燃油溫度的升高，因此，專家研發得出通過調節泵的工作轉速來調節燃油泵的供油量。目前我國軍用的航空發動機的燃油系統是應用電子技術進行控制，這就需要應用高集成度和耐高溫的電子元件和器件，獨立的燃油泵轉動裝置便成了發動機自我監視和診斷的保證。

2.2 先進技術和科技的應用

我國軍用發動機的燃油和控制系統中，應用了先進的技術和科技，采用耐高溫的半導體元件可耐高溫350℃、應用最先進的高溫光電技術測量裝置、采用砷化鎵材質作為集成電路、高速處理器可達每秒一億次以及高性能的復合材料。在軍用航空發動機控制系統的設計上運用先進的分析和檢測軟件。在發動機研制過程中，應加強計算機輔助的設計理念，在燃油附件中利用先進技術進行改造，從發動機的工裝設計、產品設計、工藝設計以及編程等發面共同發展，提高發動機的質量，節省研制時間。要利用先進的技術積極展開對控制系統和綜合控制系統的研發工作，加強對FADEC技術的研發，利用智能傳感器、數字執行機構、數據通訊、網絡技術等進行發動機的研發。

3 結語

在我國航空航天行業迅速發展的今天，軍用航空發動機燃油和控制系統的研究取得了較大的進步。隨著我國科研人員的不斷研究，中國航空發動機的燃油和控制系統也達到了較高的水平。為能研制出更高質量的航空發動機燃油和控制系統，研究人員應繼續加大對FADEC系統的研發工作，增加試驗的準確性和應用性，要注重軟件系統的編程，結合實踐中發動機的型號進行研究，加快FADEC系統的研發。本文通過闡釋燃油控制系統、噴管控制系統、FADEC技術系統、防喘系統以及監視系統的發展現狀，進而提出了我國要加強供油系統，同時采用先進技術和科技來提高我國未來燃油和控制系統的蓬勃發展。為我國軍用航空發動機的研制提供理論依據，與此同時，也為我國的航空航天發展指明了方向。

參考文獻：

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