直升機(jī)分級(jí)變轉(zhuǎn)速增壓泵供油性能仿真研究

楊小龍，趙立飛，蔣 輝

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)供油系統(tǒng)主要是保證直升機(jī)在各種工作條件下向發(fā)動(dòng)機(jī)可靠供油，在直升機(jī)所要求的工作包線內(nèi)不應(yīng)限制直升機(jī)的性能或給發(fā)動(dòng)機(jī)的工作帶來不利影響。發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力受到在飛行剖面內(nèi)的大氣壓力、燃油流量、直升機(jī)過載等多種因素影響，當(dāng)增壓泵在一個(gè)固定的轉(zhuǎn)速不能滿足整個(gè)飛行剖面內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力工作范圍時(shí)，可采用變轉(zhuǎn)速增壓泵來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力可控，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力要求。變轉(zhuǎn)速控制可分為無級(jí)變轉(zhuǎn)速和分級(jí)變轉(zhuǎn)速兩種方式。無級(jí)變轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)增壓泵輸出壓力為恒定值，負(fù)載的任何變化，都會(huì)導(dǎo)致增壓泵的轉(zhuǎn)速變動(dòng)；分級(jí)變轉(zhuǎn)速則是將增壓泵工作轉(zhuǎn)速設(shè)為幾個(gè)固定的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)壓力在一定的范圍內(nèi)變化，當(dāng)壓力超出指定范圍的變化值上下限時(shí)，增壓泵轉(zhuǎn)速才減小或增大到另一個(gè)轉(zhuǎn)速，從而使得增壓泵具有較好的工作效率。

無級(jí)變轉(zhuǎn)速在水力系統(tǒng)中恒壓控制的應(yīng)用研究較多，如彭秀艷等人研究了機(jī)場(chǎng)飛機(jī)恒壓加油，根據(jù)加油系統(tǒng)的性能指標(biāo)采用無級(jí)變頻調(diào)速技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套基于可編程控制器(PLC)和WINCC的變頻恒壓加油試驗(yàn)系統(tǒng)；詹莊春研究了采用一臺(tái)變頻器帶兩臺(tái)泵的一拖二模式的無級(jí)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)；花元濤等人研究了采用一臺(tái)變頻器帶三臺(tái)泵的一拖三模式的“變頻循環(huán)”模式對(duì)電機(jī)進(jìn)行無級(jí)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)變頻恒壓灌溉控制；何武全等人研究了根據(jù)壓力等級(jí)進(jìn)行灌溉分區(qū)，各分區(qū)采用不同的壓力等級(jí)分級(jí)恒壓自動(dòng)控制的變頻調(diào)速分級(jí)恒壓灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)。分級(jí)變轉(zhuǎn)速在水力系統(tǒng)中壓力控制的應(yīng)用研究較少，易曉紅等人介紹了一種采用三個(gè)轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)的分級(jí)交流變頻調(diào)速技術(shù)的航空變量泵的原理及設(shè)計(jì)過程。分級(jí)變轉(zhuǎn)速研究未涉及到分級(jí)變轉(zhuǎn)速之間轉(zhuǎn)速變化的動(dòng)態(tài)特性。因此，本文針對(duì)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油入口壓力要求的范圍小于直升機(jī)過載變化等引起的負(fù)載變化范圍，且飛行剖面中飛行過載等因素引起的負(fù)載變化急劇，研究了一種分級(jí)變轉(zhuǎn)速增壓泵供油系統(tǒng)構(gòu)型，探討了分級(jí)級(jí)數(shù)確定的方法，并以發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油入口壓力要求的范圍作為控制約束，對(duì)直升機(jī)大氣壓力、燃油流量和直升機(jī)過載等變化進(jìn)行仿真，分析了分級(jí)變轉(zhuǎn)速增壓泵供油性能，同時(shí)探討了分級(jí)級(jí)數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力的影響。

1 分級(jí)變轉(zhuǎn)速控制原理

1.1 供油系統(tǒng)構(gòu)型

根據(jù)某型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力需求，形成簡(jiǎn)化的直升機(jī)供油系統(tǒng)構(gòu)型。該供油系統(tǒng)由燃油箱、增壓泵、單向閥、燃油管路、壓力傳感器、變頻器和電機(jī)等組成。簡(jiǎn)化的燃油系統(tǒng)構(gòu)型如圖1所示。本文主要研究直升機(jī)垂直方向的過載對(duì)燃油系統(tǒng)的影響，因此只考慮垂直方向的過載。

圖1 簡(jiǎn)化的供油系統(tǒng)構(gòu)型

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力可表示為：

=+--Δ=-

(1)

式中：—發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力；—增壓泵增壓壓力；—燃油箱內(nèi)大氣壓力；—發(fā)動(dòng)機(jī)入口之燃油箱液面凈高度管路的慣性阻力(壓力)；Δ—燃油系統(tǒng)管路和附件的沿程摩檫阻力和局部阻力；—除泵外的系統(tǒng)壓力，等于+Δ-。

由式(1)可知，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力由增壓泵特性、燃油箱內(nèi)大氣壓力和管路流阻特性決定。通常發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油入口的壓力要求是在要求的流量變化范圍內(nèi)滿足最大和最小壓力要求。燃油箱內(nèi)大氣壓力(反映了飛行高度)、管路慣性阻力(反映了過載)、沿程摩檫阻力和局部阻力(反映了溫度、流量、流體介質(zhì)等)變化直接決定了增壓泵的選型：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力要求范圍較大時(shí)，燃油增壓泵可以在固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，目前直升機(jī)的燃油系統(tǒng)基本上都是采用這種單一轉(zhuǎn)速的增壓泵；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力要求范圍較小，而燃油箱內(nèi)大氣壓力(反映了飛行高度)、管路慣性阻力(反映了過載)、沿程摩檫阻力和局部阻力(反映了溫度、流量、流體介質(zhì)等)變化范圍超過了燃油增壓泵定轉(zhuǎn)速的特性時(shí)，則可以采用分級(jí)變轉(zhuǎn)速增壓泵，以滿足飛行剖面要求。

1.2 分級(jí)變轉(zhuǎn)速控制原理

燃油系統(tǒng)增壓泵通常為離心泵。根據(jù)式(1)，分級(jí)變轉(zhuǎn)速控制是當(dāng)離心泵出口的燃油箱內(nèi)大氣壓力、慣性阻力和管路流阻特性發(fā)生變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)離心泵出口的壓力，使得離心泵出口的壓力達(dá)到要求的水平。如圖2，當(dāng)燃油系統(tǒng)流量保持在，直升機(jī)的飛行高度和過載變化導(dǎo)致由增加到時(shí)，為保持發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力不變，需將燃油泵轉(zhuǎn)速?gòu)脑黾拥剑瑥亩加捅贸隹趬毫?span id="g0gggggg" class="subscript">需由增加到；當(dāng)由減小到，為保持發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力不變，需將燃油泵轉(zhuǎn)速?gòu)臏p小到，從而燃油泵出口壓力需由減小到。

圖2 燃油泵變轉(zhuǎn)速分級(jí)控制原理

2 分級(jí)級(jí)數(shù)的確定

確定燃油增壓泵分級(jí)時(shí)，首先要確定發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口允許的壓力范圍，然后確定燃油系統(tǒng)在飛行剖面中各種工況導(dǎo)致的除泵外的系統(tǒng)壓力變化范圍。

通常發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油入口壓力的要求范圍為：Δ=-。式中：Δ—發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力允許變化范圍；—發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力要求的上限；—發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力要求的下限。

在飛行剖面中，大氣壓力會(huì)導(dǎo)致燃油箱內(nèi)大氣壓力變化；飛行過載會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口至燃油箱液面凈高度管路的慣性阻力(壓力)變化；溫度、流量、流體介質(zhì)的變化會(huì)導(dǎo)致燃油系統(tǒng)管路和附件的沿程摩擦阻力和局部阻力Δ變化，從而導(dǎo)致除泵外的系統(tǒng)壓力發(fā)生變化，如下式：

Δ=-

(2)

式中：Δ—除泵外的系統(tǒng)壓力變化大小；—除泵外的系統(tǒng)壓力上限；—除泵外的系統(tǒng)壓力下限。

根據(jù)式(1)，可得：

=+

(3)

根據(jù)式(3)，要求增壓泵的工作范圍為+到+之間，又要滿足在一定工況下發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)入口的最小和最大壓力要求，因此，分級(jí)級(jí)數(shù)可用下式計(jì)算：

(4)

式中：Δ—增壓泵在某一固定轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)要求的流量變化范圍內(nèi)的增壓泵增壓壓力變化范圍；—余度系數(shù)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)入口的壓力范圍不超過系統(tǒng)要求。

在設(shè)計(jì)壓力分級(jí)級(jí)數(shù)時(shí)，增壓泵轉(zhuǎn)速分級(jí)可選取常用工況，即在多數(shù)工況下不進(jìn)行變轉(zhuǎn)速控制，增壓泵轉(zhuǎn)速不變，設(shè)定該轉(zhuǎn)速為一個(gè)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。然后根據(jù)系統(tǒng)的特性，確定轉(zhuǎn)速最終分級(jí)級(jí)數(shù)(可等分也可不等分)。如圖3所示，在+到+之間分為、、、四級(jí)轉(zhuǎn)速。

圖3 增壓泵轉(zhuǎn)速分級(jí)級(jí)數(shù)示意圖

3 燃油系統(tǒng)數(shù)值建模及分析

3.1 仿真計(jì)算模型

在文獻(xiàn)[9]采用Matlab建立的某典型直升機(jī)供油系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，將PID控制改為分級(jí)變轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)式(4)計(jì)算，將變轉(zhuǎn)速增壓泵轉(zhuǎn)速分為四級(jí)或三級(jí)。當(dāng)增壓泵轉(zhuǎn)速分為四級(jí)時(shí)，仿真模型如圖4所示。該模型用于研究大過載變化情況下，變轉(zhuǎn)速增壓泵是否能夠及時(shí)響應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力范圍上下限的變化，提供發(fā)動(dòng)機(jī)要求的燃油流量和壓力。圖中主要包括燃油箱、增壓泵、單向閥、燃油管路、壓力傳感器、變頻器和電機(jī)、分段控制等元件以及過載系數(shù)、大氣壓輸入、流量接口等。當(dāng)分級(jí)為三級(jí)時(shí)，則在Switch Case中去除一個(gè)Case，并修改相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)速即可。

圖4 Matlab供油系統(tǒng)仿真模型

3.2 四級(jí)分級(jí)轉(zhuǎn)速供油特性

采用四級(jí)分級(jí)轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速分別為3600、4100、4700、5200 RPM，將發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力控制為1.57～2.37 bar；過載系數(shù)在-0.5～3.5之間變化；流量在0.9～3.6 m/s之間變化；飛行高度分別在0、2000、7000 m，對(duì)應(yīng)的大氣壓力分別為101325、79485和41043 Pa。過載系數(shù)、流量、大氣壓力等參數(shù)曲線和增壓泵轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力仿真曲線如圖5。

圖5 四級(jí)分級(jí)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

可知，在過載激烈變化時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力到達(dá)下限時(shí)，轉(zhuǎn)速迅速提高到高一級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力迅速上升；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力到達(dá)上限時(shí)，轉(zhuǎn)速迅速降低到低一級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力迅速下降；發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力在1.57～2.37 bar之間變化，能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油入口壓力的要求。

圖6 分級(jí)轉(zhuǎn)速三級(jí)仿真結(jié)果

3.3 三級(jí)分級(jí)轉(zhuǎn)速供油特性

采用三級(jí)轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速分別為3600、4400、5200 RPM，將發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力控制為1.57～2.37 bar；過載系數(shù)在-0.5～3.5之間變化；流量在0.9～3.6 m/s之間變化；飛行高度分別在0、2000、7000 m，對(duì)應(yīng)的大氣壓力分別為101325、79485和41043 Pa。流量、過載系數(shù)、大氣壓力等參數(shù)曲線和發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力、增壓泵轉(zhuǎn)速仿真曲線如圖6。可知，在過載激烈變化時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力到達(dá)下限時(shí)，轉(zhuǎn)速迅速提高到高一級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力迅速上升；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力到達(dá)上限時(shí)，轉(zhuǎn)速迅速降低到低一級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力迅速下降；發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力在1.36～2.37 bar之間變化，超出了1.57～2.37 bar的范圍，不滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油入口壓力要求。

3.4 四級(jí)、三級(jí)分級(jí)對(duì)比分析

四級(jí)分級(jí)轉(zhuǎn)速中轉(zhuǎn)速分別為3600、4100、4700、5200 RPM，三級(jí)分級(jí)轉(zhuǎn)速中轉(zhuǎn)速分別為3600、4400、5200 RPM。四級(jí)、三級(jí)分級(jí)轉(zhuǎn)速中，除轉(zhuǎn)速不同外，其它參數(shù)均一致，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力和增壓泵轉(zhuǎn)速曲線如圖7。由圖可知三級(jí)轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力超出要求主要是由于分級(jí)轉(zhuǎn)速之間跨度大，轉(zhuǎn)速延遲致使壓力超過下限。分級(jí)轉(zhuǎn)速多，級(jí)間轉(zhuǎn)速差小有利于壓力范圍的控制。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力和增壓泵轉(zhuǎn)速曲線

4 結(jié)論

本文研究了一種增壓泵分級(jí)變轉(zhuǎn)速供油系統(tǒng)構(gòu)型；探討了分級(jí)級(jí)數(shù)確定的方法。利用Matlab建立了簡(jiǎn)化的直升機(jī)供油系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，以發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油入口壓力要求的范圍作為控制約束，采用分級(jí)變轉(zhuǎn)速控制增壓泵，對(duì)直升機(jī)燃油流量、直升機(jī)過載和大氣壓力等變化進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析。結(jié)果表明，在直升機(jī)燃油流量、直升機(jī)過載、大氣壓力等變化的過程中，采用分級(jí)變轉(zhuǎn)速的方法，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求。分級(jí)級(jí)數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力的影響較大，級(jí)間轉(zhuǎn)速差的大小直接影響響應(yīng)時(shí)間。該研究為直升機(jī)供油系統(tǒng)的大過載變化率下發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力控制建模和仿真提供了一種思路和方法，同時(shí)對(duì)供油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。