航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)器技術(shù)發(fā)展綜述

司國(guó)雷， 陸 亮， 陳君輝， 梁中棟， 李夢(mèng)如

(1.四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公司， 四川 成都 610000； 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 201804)

引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛行器的心臟，不僅為飛行器提供動(dòng)力，也是航空事業(yè)發(fā)展的主要推動(dòng)力。人類航空史上的重大變革，幾乎都與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步密切相關(guān)[1]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展歷程

第二次世界大戰(zhàn)以前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要為活塞式，由燃?xì)鈮毫ν苿?dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，并通過曲軸輸出力矩驅(qū)動(dòng)螺旋槳。活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣體的壓縮、燃燒、膨脹在同一汽缸內(nèi)完成，每次進(jìn)氣量很少，功率的提升一般通過采用多個(gè)氣缸實(shí)現(xiàn)。第二次世界大戰(zhàn)以后，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)迅速發(fā)展，已成為目前飛行器應(yīng)用最多的航空發(fā)動(dòng)機(jī)[2]。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，進(jìn)氣、加壓、燃燒、排氣在不同工作位置完成，依次連續(xù)進(jìn)行，相比于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，功率顯著提升。

依據(jù)其結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)原理的差異，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)又可細(xì)分為渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等。渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)利用渦輪將燃料燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，經(jīng)減速器傳遞給螺旋槳產(chǎn)生推進(jìn)動(dòng)力。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中燃料燃燒產(chǎn)生的能量，除少部分用于維持壓氣機(jī)工作，絕大部分轉(zhuǎn)換為尾氣動(dòng)能，依靠噴出尾氣的反作用力產(chǎn)生推動(dòng)力。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)沒有渦輪與壓氣機(jī)，高超音速氣流在進(jìn)氣道處滯止，產(chǎn)生高壓，同時(shí)高速氣流燃燒后在尾噴管直接膨脹，排出發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推動(dòng)反作用力。此外，針對(duì)高超音速飛行應(yīng)用，一些非傳統(tǒng)的新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)概念也被提出，例如超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)[3]等。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分。一方面，控制系統(tǒng)會(huì)響應(yīng)駕駛員指令，按特定規(guī)律控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)；另一方面，控制系統(tǒng)可以抵抗外界條件干擾，維持發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)定狀態(tài)工作[4]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)控制，一般通過調(diào)節(jié)燃料流量實(shí)現(xiàn)，即利用燃油調(diào)節(jié)器控制。燃油調(diào)節(jié)器又稱燃油計(jì)量裝置、燃油計(jì)量閥等，常位于航空發(fā)動(dòng)機(jī)附近，是將燃油泵輸出流量調(diào)節(jié)為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定工作狀態(tài)所需流量的裝置，如圖2所示。按照燃油控制方式，可將燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油調(diào)節(jié)器分為手動(dòng)控制、氣動(dòng)控制、機(jī)械液壓控制和數(shù)字電子控制等幾種。理想的燃油調(diào)節(jié)器應(yīng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、溫升小和高可靠性等特點(diǎn)[5]。

圖2 燃油調(diào)節(jié)器示意圖

隨著飛行器飛行速度的日益提高、 航空飛行技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的推力、效率、控制精度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)的要求也不斷提高。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，燃油調(diào)節(jié)器需承受長(zhǎng)時(shí)間高溫高壓，其復(fù)雜的機(jī)械液壓系統(tǒng)中，一旦某部分元件產(chǎn)生故障，極易引起連鎖反應(yīng)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)失火、停機(jī)等嚴(yán)重故障。目前國(guó)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)為，用以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字電子控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的機(jī)械液壓調(diào)節(jié)器，進(jìn)而整合飛行、燃油流量、進(jìn)氣等控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集成化數(shù)字控制[6-7]。目前，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)器也開始向數(shù)字電子調(diào)節(jié)器發(fā)展，已經(jīng)在一些原型機(jī)上取得了示范應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用中，仍以技術(shù)成熟的機(jī)械液壓式為主，且長(zhǎng)期依賴進(jìn)口或測(cè)繪仿制國(guó)外產(chǎn)品。研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)器工作原理和技術(shù)演變，總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)自主研發(fā)以及產(chǎn)品研制，具有參考價(jià)值。

1 燃油調(diào)節(jié)器工作原理分析

燃油調(diào)節(jié)器主要由各種活門組件、電磁閥或伺服閥、 角位移傳感器和用于控制的動(dòng)力元件組成。可以根據(jù)飛行器工作狀態(tài)的改變，代替人工操縱。通過控制器進(jìn)行自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)航天器在不同狀態(tài)下燃油調(diào)節(jié)器能提供不同流量的壓力燃油，保證飛行器在啟動(dòng)、加速、額定、減速等各種不同狀態(tài)下的燃油需求，進(jìn)而使飛行器戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能能得到最好的發(fā)揮。主要工作模式為起動(dòng)模式和正常工作模式。

1.1 燃油調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)原理

以X型燃油調(diào)節(jié)器為例，分析用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油調(diào)節(jié)器工作原理。其流體傳控基本原理如圖3所示。

圖3 X型燃油調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)原理

該型燃油調(diào)節(jié)器主要由核心元件高速開關(guān)閥、電磁換向閥和燃油電磁閥，以及功能組件主調(diào)節(jié)活門、壓差活門、定壓活門、占空比調(diào)整活門和燃油主出口等部件構(gòu)成。液壓系統(tǒng)包含燃調(diào)進(jìn)口油路、主調(diào)節(jié)活門后油路、控制油路、燃調(diào)回油路和引射油路。主要通過壓差活門控制主調(diào)節(jié)活門兩側(cè)壓差一定，進(jìn)而通過控制油路控制主調(diào)節(jié)活門開度，將齒輪泵出流的壓力油控制為合適流量，供航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作使用。

1.2 穩(wěn)定工作狀態(tài)工作原理

燃油調(diào)節(jié)器穩(wěn)定工作狀態(tài)下，齒輪泵流出的高壓油，經(jīng)過進(jìn)口油濾組件進(jìn)入主調(diào)節(jié)活門，同時(shí)也連通壓差活門高壓腔；主調(diào)節(jié)活門流出的低壓油，經(jīng)過阻尼器進(jìn)入起動(dòng)油路，同時(shí)也連通壓差活門低壓腔，如圖4所示。當(dāng)主調(diào)節(jié)活門后油油壓過低時(shí)，壓差活門低壓腔壓力過低，高壓腔壓力油推動(dòng)活塞，壓差活門流通面積增加，高壓油泄壓；當(dāng)主調(diào)節(jié)活門后油油壓過高時(shí)，壓差活門低壓腔壓力過高，低壓腔壓力油推動(dòng)活塞，壓差活門流通面積減小，高壓腔壓力增大，由此可控制壓差活門兩腔間壓差相對(duì)一定，即主調(diào)節(jié)活門進(jìn)出口壓差一定。主調(diào)節(jié)活門活塞桿上布滿了不規(guī)則出油型孔，當(dāng)活塞桿左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，油孔開度隨之變化。由于主調(diào)節(jié)活門進(jìn)出口壓差一定，改變油孔開度即可控制出口燃油流量。主調(diào)節(jié)活門活塞的運(yùn)動(dòng)受兩側(cè)最小流量調(diào)整釘和最大流量調(diào)整釘?shù)南拗疲?dāng)活塞與兩調(diào)整釘接觸時(shí)，對(duì)應(yīng)的油孔開度可輸出最小和最大流量。

圖4 流量調(diào)節(jié)油路組件

主調(diào)節(jié)活門除進(jìn)出油腔外，還存在一個(gè)控制油腔，控制油壓力和彈簧彈力共同平衡進(jìn)出口壓差。由于主調(diào)節(jié)活門進(jìn)出口壓差一定，改變控制油壓力，彈簧彈力也隨之改變。彈簧彈力改變，形變量改變，主調(diào)節(jié)活門活塞運(yùn)動(dòng)，油孔開度改變，即通過改變控制油壓力，可以改變出口燃油流量。控制油腔與占空比調(diào)整活門、高速開關(guān)閥[8]以及角位移傳感器[9]連通，如圖5所示。穩(wěn)定工作狀態(tài)下，角位移傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片角度和噴口臨界截面積等參數(shù)，可快速高精度響應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)[10]。控制器接收角位移傳感器數(shù)據(jù)以及控制指令，輸出占空比信號(hào)。當(dāng)占空比較大(>0.5)時(shí)，高速開關(guān)閥通電時(shí)間長(zhǎng)，通過流量大，主調(diào)節(jié)活門控制腔壓力小。此時(shí)主調(diào)節(jié)活門入口高壓油推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧，油孔開度增大，出口流量增大。類似的，當(dāng)占空比較小(<0.5)時(shí)，高速開關(guān)閥通電時(shí)間短，通過流量小，主調(diào)節(jié)活門控制腔壓力大。此時(shí)主調(diào)節(jié)活門出口壓力油推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，彈簧回復(fù)，油孔開度減小，出口流量減小[11]。

圖5 控制油路組件

除上述主要功能液壓回路外，該型燃油調(diào)節(jié)器還設(shè)計(jì)有一些輔助功能液壓回路。在燃調(diào)回油出口附近，裝有定壓活門。定壓活門進(jìn)出口油壓與彈簧彈力平衡，當(dāng)進(jìn)口的燃調(diào)回油壓力改變時(shí)，活門內(nèi)部力平衡被破壞，閥芯移動(dòng)，活門開度大小改變，直至再次平衡，由此保證出口油壓恒定[12]。定壓活門的作用是將燃調(diào)回油油壓調(diào)整為引射泵工作所需的恒定油壓，驅(qū)動(dòng)引射泵，吸除油箱內(nèi)余油。燃調(diào)進(jìn)口油路和燃調(diào)回油路間裝有安全閥，當(dāng)進(jìn)口油壓過高時(shí)，安全閥打開，整個(gè)燃油調(diào)節(jié)器泄壓。

1.3 過渡工作狀態(tài)工作原理

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)油路工作，燃油調(diào)節(jié)器處于起動(dòng)模式，待發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到某一轉(zhuǎn)速時(shí)，起動(dòng)油路切斷，主調(diào)節(jié)活門后油路壓力升高，燃油調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)變?yōu)檎９ぷ髂Ｊ健?/p>

當(dāng)停車斷油用燃油電磁閥工作時(shí)，主調(diào)節(jié)活門后油路通過燃調(diào)回油路泄壓。此時(shí)壓差活門受進(jìn)口高壓油推動(dòng)開啟，齒輪泵流出的燃油經(jīng)過壓差活門，進(jìn)入燃調(diào)回油路回油。燃調(diào)出口燃油流量逐漸減小，直至歸零，發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

2 燃油調(diào)節(jié)器控制原理演變

燃油調(diào)節(jié)器是用于向發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃油的機(jī)構(gòu)，其為旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)和渦輪機(jī)的起動(dòng)、加減速和恒速運(yùn)行提供必要的燃油。在其技術(shù)發(fā)展過程中，控制原理的改進(jìn)起了很大的推動(dòng)作用。

2.1 控制原理演變

早期的飛機(jī)并沒有嚴(yán)格意義上的燃油調(diào)節(jié)器，一般通過一個(gè)簡(jiǎn)單的閘閥控制燃油供應(yīng)，再添加一些氣壓和溫度補(bǔ)償，即可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作需要。隨后，發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸迅速增大，對(duì)起動(dòng)和和加速特性的要求也越來越嚴(yán)格。兩側(cè)定壓差的流量調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)，通過三向凸輪、彈簧、波紋管等機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制活門開度，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)分配所需的燃油流量[13]。隨著技術(shù)發(fā)展，額外幾何結(jié)構(gòu)的機(jī)械控制和反饋裝置不斷被添加到燃油調(diào)節(jié)器。這些額外的控制，有效提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，但與此同時(shí)，燃油調(diào)節(jié)器的液壓系統(tǒng)也變得越發(fā)復(fù)雜且規(guī)模巨大。在一些極端工況下，液壓系統(tǒng)中油液溫度會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)[14]，進(jìn)行精密的機(jī)械液壓式控制也需要復(fù)雜的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)。最終，高性能的機(jī)械式控制方法變得越來越難以實(shí)現(xiàn)，其巨大的自重和昂貴的成本也使得實(shí)際應(yīng)用越發(fā)困難。

飛機(jī)飛行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力是難以測(cè)量的，但其推力指標(biāo)可以從發(fā)動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速中獲得，這些參數(shù)指標(biāo)已經(jīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)控制過程中獲得有效使用[15]。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)研究的深入，采用發(fā)動(dòng)機(jī)工作特征參數(shù)，通過電信號(hào)傳達(dá)所需的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置，控制調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)活門開度，進(jìn)而控制燃油流量，控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的模擬電子控制方法，逐步取代了機(jī)械控制方法[16]。常用的模擬電子控制，采用電液伺服閥接收控制器模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)流量調(diào)節(jié)活門開度改變[17]。應(yīng)用中，由于電液伺服閥對(duì)介質(zhì)清潔度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也出現(xiàn)了使用旋轉(zhuǎn)直驅(qū)伺服閥等液壓元件的控制形式[18]。相較于機(jī)械式，模擬電子控制式燃油調(diào)節(jié)器，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，控制性能更好。電液伺服閥以及旋轉(zhuǎn)直驅(qū)伺服閥等伺服控制元件的動(dòng)態(tài)性能研究不斷深入[19]，依托高性能伺服元件，燃油調(diào)節(jié)器電子控制技術(shù)也不斷發(fā)展。但是，由于電子控制的引入，電子噪聲干擾和可靠性問題變得不可忽略，這使得模擬電子控制雖然能達(dá)到比機(jī)械控制更好的控制效果，但可靠性卻有所下降。總之，模擬電子控制在幾乎所有方面，都比機(jī)械控制性能更加優(yōu)越，但在一些極端工況的應(yīng)用中，可靠性問題難以解決，仍需要機(jī)械式的可靠控制。

隨著電子技術(shù)發(fā)展，數(shù)字電子設(shè)備的靈活性和準(zhǔn)確性超過了模擬電子設(shè)備。新的燃油調(diào)節(jié)器開始采用步進(jìn)電機(jī)或有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)等接收數(shù)字信號(hào)，直接調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)活門開度。此外，也出現(xiàn)了應(yīng)用高速開關(guān)閥，調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)活門控制腔壓力，進(jìn)而控制流量調(diào)節(jié)活門開度的方法。典型的數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制(DEEC)中，DEEC計(jì)算機(jī)處理來自各傳感器的輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)控制指令輸出對(duì)應(yīng)的偏差調(diào)整信號(hào)，執(zhí)行包括設(shè)置可變?nèi)~片、控制定位壓縮機(jī)啟動(dòng)引氣、控制氣體發(fā)生器、調(diào)整增強(qiáng)器分段順序閥和控制燃油調(diào)節(jié)器等控制指令，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)各功能模塊的集成控制[20-21]。近年來電子控制的技術(shù)成熟和廣泛應(yīng)用，使得研究的重點(diǎn)越來越從性能改進(jìn)和重量減輕轉(zhuǎn)變?yōu)榭s短發(fā)動(dòng)機(jī)改裝和開發(fā)的時(shí)間周期[22]。全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制(FADEC)的使用，正成為發(fā)動(dòng)機(jī)控制的規(guī)范系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各功能的參數(shù)控制，完全由計(jì)算機(jī)完成，不能進(jìn)行手動(dòng)替代控制。FADEC自動(dòng)控制飛機(jī)從起動(dòng)開始的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，而無需飛行員干預(yù)，可以在給定的飛行條件下實(shí)現(xiàn)最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)效率[23]。其中燃油流量的調(diào)節(jié)，由FADEC控制系統(tǒng)、傳感器和機(jī)械液壓機(jī)構(gòu)之間相互交聯(lián)實(shí)現(xiàn)[24]。此外，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能的修改和集成，可通過對(duì)FADEC的重新編程快速實(shí)現(xiàn)。但是，由于該控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)全權(quán)控制，因此其穩(wěn)定性有賴于對(duì)關(guān)鍵電子設(shè)備的保護(hù)。在應(yīng)用中也常采用多通道FADEC計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)冗余控制，提高可靠性。

2.2 機(jī)械液壓式控制原理示例分析

圖6所示為波音公司的一款機(jī)械液壓式燃油調(diào)節(jié)器。主要由離心飛重結(jié)構(gòu)和流量調(diào)節(jié)活門組成。其基本控制原理為：發(fā)動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)支架旋轉(zhuǎn)，離心塊在離心力作用下產(chǎn)生繞支點(diǎn)向外的擺動(dòng)，由此在流量調(diào)節(jié)活門閥芯上產(chǎn)生一個(gè)軸向換算力。發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)，離心塊產(chǎn)生的軸向換算力與彈簧力相平衡。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，閥芯向上移動(dòng)，從而使噴嘴擋板結(jié)構(gòu)的開度變小，離心飛重伺服機(jī)構(gòu)中的伺服油壓變大。在腔體定壓油與伺服油之間壓力差的作用下，壓縮彈簧使彈簧力變大，噴嘴擋板的開度恢復(fù)。此時(shí)，離心飛重組件又達(dá)到新的平衡，流量調(diào)節(jié)活門閥芯穩(wěn)定在與發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的位置。流量調(diào)節(jié)活門閥芯位置的改變，使其回路燃油流量改變，進(jìn)而影響連接航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主回路流量，提供適應(yīng)新轉(zhuǎn)速的燃油流量。

圖6 一款機(jī)械式燃油調(diào)節(jié)器[25]

2.3 數(shù)字電子式控制原理示例分析

圖7所示為航空電子公司的一款數(shù)字電子式燃油調(diào)節(jié)器。主要由電液轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、流量調(diào)節(jié)活門和壓差活門組成。其基本控制原理為：燃調(diào)出口燃油壓力低于燃調(diào)入口燃油壓力，其壓差依靠壓差活門保持恒定。壓差活門包括一個(gè)隔膜以及固定其上的錐形閥，當(dāng)兩側(cè)壓差升高時(shí)，錐形閥開啟，隔膜移動(dòng)，此時(shí)兩側(cè)導(dǎo)通，高壓側(cè)泄壓。通過該動(dòng)作，可在泵壓力和燃油流量變化的整個(gè)擾動(dòng)過程中，保持流量調(diào)節(jié)活門兩側(cè)壓差恒定，同時(shí)保證燃調(diào)出口流量基本僅為流量調(diào)節(jié)活門閥芯位置的函數(shù)。電液轉(zhuǎn)換裝置接收控制器發(fā)出的電信號(hào)，由此驅(qū)動(dòng)杠桿繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)平板閥移動(dòng)，改變孔口面積，進(jìn)而改變相連回路的燃油壓力。電液轉(zhuǎn)換裝置液壓回路與流量調(diào)節(jié)活門控制腔相連，控制腔壓力也隨電信號(hào)的輸入而變化，調(diào)節(jié)活門閥芯位置隨之移動(dòng)，出口燃油流量調(diào)節(jié)為所需流量。

圖7 一款數(shù)字電子式燃油調(diào)節(jié)器[26]

2.4 全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制原理示例分析

圖8所示為一款全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠接收來自14個(gè)外部傳感器和反饋設(shè)備、2個(gè)內(nèi)部壓力傳感器以及1個(gè)承載功率電平的數(shù)字信息。同時(shí)具有108個(gè)可調(diào)控制參數(shù)和 16個(gè)離散輸入，這些通道可用于性能映射調(diào)節(jié)、模擬故障傳感器以及輸入飛機(jī)信號(hào)。該系統(tǒng)可提供輸出來控制六個(gè)位置回路、壓力燃油輸送，以及數(shù)據(jù)鏈接至測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)控制室和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的100個(gè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通道[27]。

圖8 一款FADEC控制系統(tǒng)[27]

3 關(guān)鍵技術(shù)

通過研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)器的控制原理及其演變過程，分析相關(guān)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)專利，可以總結(jié)燃油調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 關(guān)鍵元件設(shè)計(jì)與制造

燃油調(diào)節(jié)器的性能依賴于其機(jī)械液壓結(jié)構(gòu)的性能。主調(diào)節(jié)活門、壓差活門、定壓活門、燃油出口組合件等液壓元件，以及傳動(dòng)與密封組件，需要在長(zhǎng)時(shí)間特種環(huán)境工況下性能保持穩(wěn)定，同時(shí)在頻繁工作時(shí)不出現(xiàn)疲勞損傷、流量漂移、控制失效等影響綜合性能的現(xiàn)象。電磁閥、伺服閥、高速開關(guān)閥等作為關(guān)鍵的控制元件，需要有高頻響、流量穩(wěn)定和線性度好等動(dòng)靜態(tài)性能[28]，滿足調(diào)節(jié)器精確流量控制需求。同時(shí)，燃油調(diào)節(jié)器伺服液壓系統(tǒng)中各液壓閥的內(nèi)部流場(chǎng)特性應(yīng)當(dāng)經(jīng)過精密設(shè)計(jì)，避免在高壓工況下產(chǎn)生流體自激振蕩，造成結(jié)構(gòu)不良振動(dòng)，影響控制精度[29]。燃油調(diào)節(jié)器涉及零件多，關(guān)鍵元件屬于精密偶件，在設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)一定要去除毛刺，控制多環(huán)節(jié)多余物，確保滿足長(zhǎng)壽命、高精度、高可靠性等要求。

3.2 控制器設(shè)計(jì)與制造

燃油調(diào)節(jié)器的性能依賴于其數(shù)字控制器的性能。控制器硬件應(yīng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和集成化設(shè)計(jì)，具備多通道、嵌入性好、可編程、組態(tài)等特點(diǎn)，并具有良好的可移植性。控制器軟件應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行本地控制的同時(shí)，快速響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求；具備實(shí)時(shí)調(diào)配和處理各功能模塊的能力，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多任務(wù)功能；控制參數(shù)調(diào)整便捷，易于配合其他設(shè)備使用；具備故障自診斷和排錯(cuò)自校準(zhǔn)等功能，滿足復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用需求。控制器硬件盡量簡(jiǎn)單，提高可靠性與穩(wěn)定性；軟件編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能，滿足控制要求。

3.3 驗(yàn)證評(píng)估仿真方法

燃油調(diào)節(jié)器控制技術(shù)發(fā)展過程中離不開仿真技術(shù)的應(yīng)用，特別是當(dāng)前面向數(shù)字化控制，設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)經(jīng)過完備的仿真驗(yàn)證，同時(shí)控制功能的完善和改進(jìn)也離不開仿真評(píng)估[30]。仿真模型硬件部分應(yīng)能夠模擬實(shí)際工作環(huán)境，并利用現(xiàn)代監(jiān)測(cè)方法對(duì)傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、處理與分析；軟件平臺(tái)應(yīng)將機(jī)械設(shè)計(jì)軟件、數(shù)值分析軟件、仿真分析軟件、實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)軟件、綜合性能分析軟件等結(jié)合在一起，通過設(shè)置各軟件間通信參數(shù)，建立多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)[31]，完成燃油調(diào)節(jié)器聯(lián)合仿真分析。

4 結(jié)論

(1) 簡(jiǎn)述航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展，主要包括結(jié)構(gòu)原理的改進(jìn)和控制系統(tǒng)的發(fā)展；

(2) 以X型燃油調(diào)節(jié)器為例，分析其流體傳控基本原理：壓差活門控制主調(diào)節(jié)活門兩側(cè)壓差恒定，通過控制油路控制主調(diào)節(jié)活門開度，調(diào)節(jié)燃調(diào)出口燃油流量。放氣閥支路用于排出回路氣穴；定壓活門提供恒定油壓驅(qū)動(dòng)引射泵，吸除油箱內(nèi)余油；安全閥在進(jìn)口油壓過高時(shí)完成泄壓；

(3) 分析燃油調(diào)節(jié)器控制原理演變：早期使用簡(jiǎn)單閘閥控制，隨后形成兩側(cè)定壓差的流量調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)，通過控制活門開度分配燃油流量。活門開度控制方法由純機(jī)械式逐步過渡為模擬或數(shù)字電子輔助控制，最終出現(xiàn)全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制。全權(quán)限數(shù)字控制系統(tǒng)正在成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制的規(guī)范系統(tǒng)；

(4) 燃油調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵技術(shù)：關(guān)鍵元件設(shè)計(jì)與制造、控制器設(shè)計(jì)與制造、驗(yàn)證評(píng)估仿真方法。