某型發動機噴口臨界界面面積控制系統故障模式研究

■ 吳騰飛 韓振超 王謙 張國紅 唐建根 彭文杰/

1成都航利（集團）實業有限公司 2空裝成都局某軍事代表室

0 引言

某型航空發動機為軍用雙轉子加力渦輪風扇發動機，尾噴管采用超聲速收擴噴管。噴管的臨界界面面積決定于發動機工作狀態的變化，由噴口控制系統全狀態自動調節發動機不同工作狀態下的噴口位置。該型航空發動機噴口控制系統采用的是帶液壓機械備份的全權限數字式電子控制系統，涉及輸入輸出參數多，包含電子電器元件、液壓執行元件，噴口過程控制復雜，發動機使用過程中噴口控制系統故障頻發。噴口控制異常將導致發動機轉速下降、推力不穩定，影響飛行安全。

1 噴口臨界界面面積控制原理

數控系統正常工作時，由全權限數字電子控制系統完成噴口臨界界面面積控制（見圖1）；數控系統故障時，由液壓機械備份控制系統完成噴口臨界界面面積控制（見圖2）。

圖1 噴口數控狀態控制邏輯圖

圖2 噴口備份狀態控制原理圖

1.1 數控狀態控制原理

中間狀態以下狀態的噴口控制采用開環加增穩的控制方式，由N1和T1按照調節計劃計算出Lndem，通過“開環/閉環模式選擇”模塊提供給控制器PID控制算法。控制器根據當前的Lndem輸入計算出所需的PWM，通過驅動電路提供給高速電磁閥來控制分油活門，通過分油活門的放大驅動作用控制噴口作動筒，從而達到控制噴口面積的目的。

中間及以上狀態的噴口控制按πT＝f(T1)的規律進行閉環控制。由T1按照此規律得到ΔπT，提供給PID控制算法得出Lndem，同時T1和限速后的PLA經A8前饋放大K倍后得出ΔLndem，二者相加后提供給Ln小閉環內的PID控制算法。控制器根據當前的Lndem輸入計算出所需的PWM并通過驅動電路提供給高速電磁閥，通過它來控制分油活門，從而改變有桿腔和無桿腔的壓力，使得噴口動作。為防止發動機喘振，加力狀態噴口面積最小值不會小于前饋線。

1.2 備份狀態控制原理

轉為機械液壓備份控制時，電調/備份活門壓力油供向轉換活門，噴口控制電磁閥斷電，關閉該控制油路，分油活門控制腔壓力由定ΠT調節器的噴嘴擋板活門控制，可實現噴口控制的平穩過渡。

當油門桿位置大于62°時，油門桿上的開關關閉了慢車活門下端彈簧腔回油路，慢車活門在油壓力和彈簧力的作用下向上移動，切斷了定壓油通往關斷活門的油路，節流狀態噴口控制活門退出工作，由落壓比控制器按P31、P6和T1變化控制噴口面積。

當從最大狀態收油門，油門桿角度小于60°時，油門上的開關打開慢車活門下端彈簧腔的回油路，慢車活門向下端移動，打開定壓油通往關斷活門右腔的油路，關斷活門左移使擋板活門開度減小，慢車活門下移，噴口面積關小為小噴口。

由于備份狀態無著陸收噴口功能，備份狀態下油門桿角度小于60°時均為小噴口，停車過程中放為大噴口。

2 噴口臨界界面面積控制系統組成

噴口臨界界面面積控制系統主要由用于狀態控制與監控的數字電子控制器、用于執行與備份控制的噴口加力調節器和用于參數測量的噴口角位移傳感器組成，如圖3所示。

圖3 噴口控制系統組成

2.1 數字電子控制器

1）工作原理

數字電子控制器采用硬件相似雙余度設計技術，由兩個完全相同的獨立數控通道組成。每個通道均包含輸入模塊、控制模塊、輸出模塊、總線接口模塊和電源模塊。兩個通道還共用一個故障切換模塊。

雙余度數字電子控制器采用一個通道主控、另一個通道處于熱備份狀態，即同時處在執行同一個任務的熱運行當中的工作方式。這兩個通道通過數據接口相互交換信息。傳感器輸入信號經A/D轉換后，由CPU通過軟件進行輸入信息的余度管理，取表決值進行控制律計算。將計算結果通過高速數據通信進行通道之間的交叉數據傳輸，由軟件進行輸出信息的余度管理。取表決值作為控制指令輸出給執行機構，實現發動機噴口臨界界面面積的控制。

故障切換模塊用于實現通道/余度計算機之間故障的指示及故障切換。當任一通道中的任一模塊出現故障時，能無擾動地切換到與之相對應的另一熱備份模塊代替工作，重構系統。當兩個同種功能的模塊均出現故障時，數字電子控制器退出工作，系統切換到液壓機械備份調節器工作。雙通道均正常時按輪轉方式主控（見圖4）。

圖4 雙通道數字式電子控制器原理圖

2）相關控制參數

噴口臨界界面面積的控制涉及的參數主要有：測量的T1、N1、N2、PLA、P31、P6、PWMLn作為控制器形成目標值的輸入；測量的D8、Ln作為實際輸出值的反饋。具體參數特性見表1。

表1 相關參數

2.2 噴口加力調節器

1）噴口高速電磁閥

數字電子控制器根據位移給定和位移反饋的差值經PI調節后輸出占空比信號，控制高速電磁閥的回油流量，實現對噴口控制機構分流活門的控制。系統平衡狀態時占空比值為某一固定值，該值被稱為平衡占空比，通常為50%±8%。在控制器PI固定的情況下，進出口油嘴、高速電磁閥之間需要具有一定的匹配關系，才能保證控制系統的控制品質。

2）噴口控制活門組件

噴口控制活門組件的功能是按發動機不同狀態的控制規律，通過上腔燃油壓力的變化，調節噴口控制活門組件的相對位置，依據輸入的活門相對襯套的位移量將噴口油源泵后壓力分配輸出到噴口作動筒的兩腔，改變進入液壓作動筒有桿腔和無桿腔的燃油流量，實現噴口臨界界面面積的控制。噴口控制活門組件屬于控制執行組件，在數控與備份控制時均進行工作。

2.3 噴口角位移傳感器

噴口角位移傳感器安裝在發動機噴口反饋系統中，與數字電子控制器中的噴口直徑測量電路完成噴口直徑D8的測量，角度測量范圍為±40°。

3 故障模式分析與故障排查流程圖

通過對噴口臨界界面面積控制原理和組成的分析，建立噴口控制異常故障樹（見圖5），梳理各故障對應的部附件及部附件可能存在的故障，再根據故障模式分析結果制訂排故流程圖，如圖6～圖9所示。

圖5 噴口臨界界面面積控制異常分析故障樹

圖6 噴口調節通道故障排除程序

圖7 pit擺動故障排除程序

圖8 噴口控制擺動故障排除程序

圖9 備份噴口控制異常故障排除程序

4 結束語

本文通過系統分析某型發動機噴口控制系統各功能模塊的工作原理以及控制特性，為發動機出現噴口臨界界面面積控制異常故障時的排除方法與故障定位提供了可借鑒的思路及方法，有利于發動機的使用及維護，可產生一定的經濟與軍事效益。