基于SimulationX的可調靜子導葉機械滯后效應系統仿真

王常亮，邱明星，金 海，李兆紅，石 磊，袁 森

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

壓氣機可調靜子導葉（Variable Stator Vane簡稱VSV）的調節控制，直接影響壓氣機的喘振裕度，其角度調節規律的設置，是保證多級高壓比壓氣機實現設計指標的重要技術手段[1-3]，因此對于其角度的控制精度有嚴格要求。本項研究涉及的VSV調節系統為機械液壓式調節系統，在設計上具有技術原理成熟和可靠性高等優點，普遍應用于航空發動機上，如美國F16飛機配裝的F110-100發動機、俄羅斯Su-27飛機配裝的АД-31Ф發動機、波音777飛機配裝的GE90發動機等，均使用該類型調節控制系統，具有廣泛的應用基礎[4-7]。一般來說，使用上述調節系統的發動機，其VSV角度控制精度已經達到了相當高的水平，可滿足發動機的使用需求。但是大量發動機的使用經驗和統計規律顯示，個別發動機的VSV角度調節存在滯后量大的問題，導致發動機多次進行硬件更換和排故試車，造成較大的經濟損失。類似VSV機械滯后問題在國外相關研究[8]中也有提及，通過改進驅動方案后得以解決。對于本文研究的問題，盡管現象類似，但由于不存在非對稱變形影響因素，其故障模式有所區別；同時，由于并非批量發動機的共性問題，故障的出現有不確定性，影響因素復雜，且所涉及的控制系統、操縱機構等部件眾多，增加了研究的技術難度。

本文基于SimulationX系統仿真平臺[9-10]，搭建了VSV角度閉環調節系統仿真模型，運用FMEA方法[11]進行計算分析及試驗驗證，確定VSV角度滯后的影響因素，提出改進優化方案。對設計技術的改進及設計流程優化具有較強的現實意義。

1 系統工作原理及問題現象

VSV角度閉環調節系統主要由控制器、執行操縱機構和反饋機構3部分組成，如圖1所示。其主要工作原理為依據發動機工作轉速狀態，控制器通過傳感器獲取轉速指令信號，并作為VSV角度控制的輸入，提供給控制器內部控制活門以形成控制偏差，高壓活門重新分配供給作動筒2腔的壓力，推動作動筒動作，進而帶動壓氣機導向葉片進行轉動。同時，反饋機構將VSV角度位置信息反饋給控制器，控制器通過比較理論位置與反饋信息，進一步通過內部杠桿機構減小控制偏差，逐步將VSV控制活門拉回到平衡位置，使VSV角度重新穩定在新的位置，實現按轉速變化的閉環控制。

根據統計結果，個別發動機的VSV角度控制存在滯后量大的現象（如圖2所示），導致發動機多次進行硬件更換和排故試車。國外發動機類似VSV機械滯后表現如圖3所示[8]，主要原因為驅動方案引起的非對稱變形及機構摩擦阻力增大，通過改進驅動方案后，問題得以解決。但由于本文研究的對象，其驅動方案為雙作動筒對稱排布，故障模式與國外文獻描述的有所差別。由于影響因素復雜，且存在相關性，傳統的故障隔離試驗方法并不完全適用，而系統仿真不受硬件資源和加工周期等因素的限制，可以深入研究潛在的影響因素及其影響程度。

圖1 閉環調節控制原理

圖2 VSV滯后問題（無量綱）

圖3 國外某發動機VSV滯后現象及改進方案[8]

2 模型搭建及驗證

通過多學科系統仿真平臺SimulationX，并運用二次開發工具TypeDesigner對VSV角度調節系統搭建模型，其模塊主要包括控制器內的指令杠桿、反饋凸輪-杠桿、高壓分流活門、作動筒、反饋機構及氣動/摩擦負載模塊等元部件。具體系統模型如圖4所示。元器件模型相應結構尺寸按部件實際參數進行設置，動態輸入參數按試驗測量數據給定。

圖4 系統模型

以系統模型中的氣動/摩擦負載模塊為例，通過分析機構運動狀態，選取作動筒活塞作為受力分析對象，物理模型如圖5所示。

圖5 作動筒模型（SimulationX模型說明）

機構運動為穩態或勻速運動，此時活塞桿靜止或做勻速往復運動，作動筒2腔壓力產生的驅動力與VSV操縱機構受到的氣動力與摩擦阻力基本達到平衡狀態，建立轉速增加及降低過程的活塞受力平衡方程

式中:Fd1、Fd2分別為轉速增加、降低過程驅動負載力；Fa為發動機流路中的氣體在葉片上的氣動作用傳遞到活塞桿上的力；Ff為搖臂等機構的摩擦作用傳遞到活塞桿上的力。

分析活塞工作狀態，可得油壓驅動力與腔壓及活塞結構尺寸關系

式中:Fq1、Fq2分別為轉速增加、降低過程油壓驅動力；PA、PB分別為作動筒 2 腔腔壓；AA、AB分別為對應側活塞作用面積；Ag為活塞桿截面積。

其中腔壓可參考實際測量數據，活塞結構尺寸按實際情況給出，由于驅動負載Fd1、Fd2與Fq1、Fq2分別為作用力與反作用力，因此，聯立式（1）～（4）可初步估算出氣動力及摩擦阻力曲線，如圖6所示。

圖6 氣動力及摩擦阻力曲線（無量綱）

對搭建的系統仿真模型的有效性進行了驗證，將仿真計算結果與整機試驗實測結果進行對比，可以看到腔壓模擬（如圖7、8所示）和驅動力模擬（如圖9所示）計算結果與試驗實測數據有較好的一致性，說明該模型可以較好地反映VSV系統各模塊間的協調作用，且計算結果誤差較小，可以作為進一步故障因素分析工作的仿真計算基礎。

圖7 作動筒A腔壓力仿真及試驗結果（無量綱）

圖8 作動筒B腔壓力仿真及試驗結果（無量綱）

圖9 驅動力仿真及試驗結果（無量綱）

3 仿真計算及結果分析

以搭建的VSV閉環調節系統為研究平臺，運用FMEA方法，注入可能的影響因素進行仿真計算，分析可能的故障因素，確定問題故障模式。并通過上述分析，對VSV閉環調節系統的設計流程進行優化改進。

3.1 故障影響因素仿真分析

根據系統工作原理、內部結構組成及試驗測量情況，識別出的可能影響因素主要包括油路壓力異常、活門泄漏、機械結構剛度異常、活門特性分散度大等控制器因素，輸入輸出關系異常等反饋機構因素，以及摩擦阻力、驅動負載異常等操縱執行機構因素。

針對可能的影響因素，以搭建的系統仿真模型為平臺，逐一進行FMEA分析，計算結果見表1。

表1 故障因素影響計算

計算得到主要影響因素，包括驅動能力偏低、活門輸出特性分散度大及驅動負載偏大，進一步研究其產生原因，認為是由發動機個體差異或熱狀態差異導致的，因此在故障現象上表現出一定的不確定性。進一步對上述3方面主要因素進行疊加分析，復現了故障現象。

3.2 故障模式分析及驗證

根據仿真分析結果，結合實際試驗情況得到如下故障模式:首先，在實際試車過程中，在相同轉速下，控制器主泵后壓力與回油壓力存在一定的分散度，即控制器自身驅動能力有所差別，導致在某一時刻因驅動力不足使VSV角度滯后。隨著主機轉速進一步降低，驅動能力也隨之迅速降低，增大了VSV角度滯后的概率。其次，根據實測結果，控制活門自身的輸出特性也存在分散度，如果輸出特性偏差，則會加劇VSV角度的滯后程度。在驅動負載方面，發動機個體也存在差別，這主要反映在發動機個體的操縱機構靜態阻滯力差別、熱態摩擦阻力增加、氣動力差別3個方面。即存在發動機個體驅動負載偏大導致其與驅動能力匹配不佳的情況。對于發動機實際工作過程，如果只存在3.1節中的3種主要影響因素的1種，并不會引起VSV角度顯著滯后，如果疊加2種及以上誘發因素，則會出現明顯的VSV角度滯后情況。

為驗證上述分析，選取1臺發動機進行試驗。通過前期的部件測量及整機測試數據分析，認為該發動機的控制器驅動能力偏低、活門輸出特性較差和熱態驅動負載偏大。數值仿真過程按發動機熱態摩擦阻力增大后的評估結果進行設定，控制器回油壓力按實測數據給定突跳，活門輸出特性按附件出廠實測數據分散度給定，仿真結果與實際整機試驗結果吻合較好（如圖 10～12所示），故障現象得以復現。

圖10 VSV角度仿真及試驗結果（無量綱）

圖11 A腔壓力仿真及試驗結果（無量綱）

圖12 B腔壓力仿真及試驗結果（無量綱）

圖13 VSV調節系統設計流程優化

3.3 VSV調節控制系統設計流程優化

通過對上述故障問題的研究分析，發現VSV調節系統作為實現VSV角度閉環控制功能的載體，其傳統的設計流程不完善，需加以改進優化。主要從正向設計的角度出發，參考系統工程設計方法[12-15]，對原有的設計流程改進優化（如圖13所示）。主要增加了以下環節:

（1）在控制器和執行機構的部件設計過程中，增加驅動能力及驅動負載匹配設計環節，并進行相應的負載模擬試驗和運動仿真評估，進一步通過聯合仿真進行初步評估；

（2）在控制器活門等關鍵部件的生產制造過程中，根據研究經驗，提出分散度控制要求；

（3）在執行機構方案設計過程中，應對熱態過程組件間的摩擦阻力增加情況予以考慮。

4 結論

通過系統仿真研究及試驗驗證，完成了VSV機械滯后問題的仿真模擬及故障模式驗證，基于分析驗證結果，得出以下結論:

（1）基于SimulationX軟件平臺搭建了VSV調節系統仿真模型，并完成了有效性驗證；

（2）通過FMEA分析，對VSV角度機械滯后效應的影響因素進行了系統仿真分析，得到了單一因素及疊加因素的影響評估結果。進而基于研究結論，提出了1種新的故障模式，并通過了整機試車驗證；

基于研究結論，對原有設計流程改進優化，對發動機VSV調節系統的設計過程具有較強的參考價值。