航空發(fā)動機電驅(qū)動滑油泵控制算法研究

黃 果，李炎軍，宋 飛，楊美超，趙 欣

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

1 引言

將轉(zhuǎn)速、流量可調(diào)的電驅(qū)動滑油泵及滑油系統(tǒng)技術(shù)應用于多電發(fā)動機，取消傳統(tǒng)的功率分出軸、減速器等機械液壓附件，從而減輕發(fā)動機質(zhì)量，減小迎風面積，改善可靠性和維修性，已成為新一代航空發(fā)動機發(fā)展的重要方向。在電驅(qū)動滑油泵研究方面，波音公司在20世紀80年代初首先提出了用電力作動器取代液壓作動器，用電力泵取代齒輪箱驅(qū)動的滑油泵和燃油泵等[1]概念。21世紀初Moncelet等[2]對電驅(qū)動分布式滑油系統(tǒng)原理進行了系統(tǒng)的闡述，并明確該技術(shù)將為多電/全電發(fā)動機提供一個全新的方向。國內(nèi)多家研究機構(gòu)也撰文[3-5]對電驅(qū)動滑油泵和電驅(qū)動滑油系統(tǒng)作為未來發(fā)動機滑油系統(tǒng)發(fā)展的重點方向進行了描述，但未見具體的研究報道。針對電驅(qū)動滑油系統(tǒng)的供油特性，發(fā)現(xiàn)電驅(qū)動滑油系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，是在發(fā)動機狀態(tài)與滑油供油流量關(guān)聯(lián)規(guī)律的基礎(chǔ)上，形成電驅(qū)動滑油泵控制算法，從而實現(xiàn)發(fā)動機滑油量的按需控制。本文以某型航空發(fā)動機為研究對象，結(jié)合滑油系統(tǒng)熱分析和MATLAB軟件開展電驅(qū)動滑油泵控制算法研究，獲得了經(jīng)過初步驗證的電驅(qū)動滑油泵控制算法，可為后續(xù)電驅(qū)動滑油泵研究提供技術(shù)支撐。

2 發(fā)動機滑油需油量的確定

發(fā)動機滑油需油量W0，取決于滑油必須帶走的熱量Q和滑油在發(fā)動機中允許的進出口溫差Δt：

式中：ρ為滑油密度，cp為滑油比熱容。

滑油需油量計算是針對噴嘴噴射流量而言，以部件或系統(tǒng)在工作中所產(chǎn)生的熱量為基礎(chǔ)，通過發(fā)熱量與需滑油帶走的熱量相平衡求得。因為只有熱量處于一個相對平衡狀態(tài)，該處的工作溫度基本維持在一定范圍內(nèi)，進而保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

3 發(fā)動機狀態(tài)與滑油供油流量關(guān)聯(lián)模型的建立

3.1 發(fā)動機滑油流量計算

采用B.M.捷米道維奇模型[6]計算主軸承的摩擦生熱。為使計算結(jié)果更接近發(fā)動機實際情況，基于某型核心機有關(guān)試驗數(shù)據(jù)對計算模型進行了修正。在修正后的計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，表1給出了修正后各主要工況的滑油流量。該計算結(jié)果可作為發(fā)動機狀態(tài)和滑油供油流量關(guān)聯(lián)模型構(gòu)建的基礎(chǔ)樣本。

3.2 關(guān)聯(lián)模型創(chuàng)建

結(jié)合工況定義條件和各工況條件下的滑油流量計算結(jié)果，可得到發(fā)動機狀態(tài)與滑油流量之間的關(guān)系，如圖1所示。

通過對發(fā)動機在地面及飛行狀態(tài)下試驗數(shù)據(jù)的分析可以得出，發(fā)動機實際總滑油流量qL實與飛行高度、飛行馬赫數(shù)及發(fā)動機轉(zhuǎn)速n的關(guān)系式為：

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件中線性回歸求解，可得發(fā)動機狀態(tài)與實際總滑油流量的關(guān)聯(lián)模型：

將發(fā)動機各狀態(tài)參數(shù)帶入式(3)計算，可得對應的實際總滑油流量，見表2。由表中可看出，式(3)計算的實際總滑油流量值和理論總滑油流量的修正值之間的誤差值均小于3%，說明式(3)可作為后續(xù)電驅(qū)動滑油泵控制規(guī)律開發(fā)的基礎(chǔ)模型。但由于式(3)是基于有限的試驗數(shù)據(jù)推導而得，應用范圍有一定的局限性，為使其具有通用性，對關(guān)聯(lián)模型進行如下規(guī)定：

表1 修正后各主要工況的滑油流量Table 1 Corrected results of the lubricating oil flow for different working conditions

表2 各主要工況實際總滑油流量計算結(jié)果Table 2 Calculation results of the actual lubricating oil flow for different working conditions

表2 各主要工況實際總滑油流量計算結(jié)果Table 2 Calculation results of the actual lubricating oil flow for different working conditions

(1)地面狀態(tài)

(2)高空狀態(tài)

4 電驅(qū)動滑油泵控制算法模型

4.1 系統(tǒng)簡介

電驅(qū)動滑油泵為永磁無刷直流電機帶動內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)，主要由泵體、永磁電機和外殼3部分組成，如圖2所示。工作時永磁電機通過內(nèi)六方傳扭裝置帶泵旋轉(zhuǎn)，滑油從進油口吸入，經(jīng)泵增壓后流經(jīng)電機外部并冷卻電機。

4.2 流量控制策略設計

由上述分析可知，滑油泵的流量控制可通過控制電機轉(zhuǎn)速n電實現(xiàn)，故建立如下流量控制策略。

(1)地面狀態(tài)

實際滑油流量按機械效率0.85、容積效率0.90進行計算，可得：

式中：n泵為滑油泵轉(zhuǎn)速(r/min)。

(2)高空狀態(tài)

(a) 當H＜5km、Ma＜0.5時，實際滑油流量按機械效率0.85、容積效率0.75進行計算，可得：

(b) 當H＜5km、Ma＞0.5時，實際滑油流量按機械效率0.85、容積效率0.70進行計算，可得：

結(jié)合電機底層控制軟件Indraworks DS，利用C#語言完成上位控制軟件的開發(fā)，如圖3所示。

5 控制算法試驗驗證

利用電驅(qū)動滑油泵試驗器(圖4)開展了電驅(qū)動滑油泵控制規(guī)律的試驗驗證。試驗時，設置發(fā)動機各工況對應參數(shù)，同時調(diào)節(jié)對應的滑油泵進出口壓力，完成了電驅(qū)動滑油泵的地面和高空性能試驗，試驗結(jié)果見表3。滑油流量隨工況變化的理論值與試驗值的對比見圖5。結(jié)果表明，發(fā)動機各飛行工況下，電驅(qū)動滑油泵調(diào)節(jié)流量均略大于實際需油量。其原因為，控制算法均以需求流量上偏差作為擬合基準，同時滑油泵進出口壓力調(diào)節(jié)誤差造成實際供油流量誤差。但流量控制誤差均不大于5%，滿足流量控制精度要求。各狀態(tài)下滑油泵運行狀態(tài)良好。

表3 電驅(qū)動滑油泵各工況試驗數(shù)據(jù)對應表Table 3 Test data for different working condition of electrically driven oil pump

6 結(jié)論

(1)電驅(qū)動滑油泵流量控制精度滿足不大于5%的要求，且均為上偏差流量；

(2)電驅(qū)動滑油泵實際供油量能夠滿足發(fā)動機各飛行工況滑油流量需求；

(3)電驅(qū)動滑油泵控制算法可行，能夠應用于后續(xù)電驅(qū)動滑油泵研究。

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