某型離心傳感器對發動機放氣帶工作穩定性影響分析

李 揚,黃亞文,張一航

(中國航發西安航空動力控制有限公司 設計研究所,西安 710077)

0 引言

某型離心傳感器是控制渦輪噴氣發動機放氣機構開、關的部件之一,該發動機在外廠(場)地面試車或飛行過程中,頻繁發生放氣帶信號燈閃亮、放氣帶打開轉速漂移等故障,檢查發現離心傳感器是導致上述故障誘因之一[1-2]。放氣帶工作嚴重不穩定時可能導致發動機喘振[3],影響飛行安全[4],因此研究離心傳感器對發動機放氣帶工作穩定性的影響具有重要意義。

本文根據某型離心傳感器工作原理、產品結構,從傳動鏈動態特性和內部流場方面進行分析,研究該離心傳感器對發動機放氣帶工作穩定性的影響,為后續的相關技術攻關提供理論支撐。

1 離心傳感器工作原理

某型離心傳感器是渦輪噴氣發動機放氣機構組成部件之一,其功用是感受發動機轉速,控制放氣機構電磁活門電路的接通與斷開,從而控制發動機放氣帶的關閉和打開。放氣機構示意圖如圖1所示。

圖1 放氣機構示意圖

1.1 結構原理

離心傳感器結構示意圖如圖2所示。某型離心傳感器由殼體、上蓋、離心飛重、分油活門、傳動軸、彈簧、調整螺釘、薄膜、薄膜頂桿、插座和微動開關等組成,微動開關與插座間由導線連接,插座與發動機電插頭連接。分油活門在離心飛重和彈簧力的作用下軸向移動,控制薄膜滑油腔油路通斷,最終控制微動開關的通斷,實現對放氣帶開關的控制,其傳動鏈輸入軸與軸套截面結構如圖3所示。

圖2 離心傳感器結構示意圖

圖3 傳動鏈輸入軸與軸套截面結構

1.2 工作機理

1.2.1 放氣帶關閉機理

推油門放氣帶關閉機理如圖4所示。當發動機轉速大于3 800+50r·min-1時,彈簧壓緊力小于離心飛重產生的離心力,分油活門上移,發動機滑油系統通向離心傳感器薄膜腔的滑油通路連通,此時轉換裝置內薄膜頂桿在0.44 MPa滑油壓力作用下與轉換裝置殼體面止靠,薄膜頂桿推動微動開關按鈕,接通放氣機構電磁活門電路,放氣帶關閉。

圖4 推油門放氣帶關閉機理

1.2.2 放氣帶打開機理

收油門放氣帶打開機理如圖5所示。當發動機轉速小于3 800+50r·min-1時,彈簧壓緊力大于離心飛重產生的離心力,分油活門下移,發動機滑油系統通向離心傳感器薄膜腔的滑油通路被分油活門的分油凸邊堵住,此時轉換裝置內薄膜頂桿在彈簧力作用下恢復初始位置,微動開關的按鈕斷開放氣機構電磁活門電路,放氣帶打開。

圖5 收油門放氣帶打開機理

2 傳動鏈影響分析

某型離心傳感器輸入軸與傳動軸的軸套存在間隙,通過RecurDyn多體動力學仿真[5-8],分析不同的輸入軸與軸套間隙對離心傳感器傳動軸轉速的影響。離心傳感器輸入軸與軸套配合尺寸如下:

輸入軸和軸套間隙(雙邊):0.410～0.570 mm。

2.1 建模仿真

使用RecurDyn軟件對離心傳感器進行多體動力學仿真,假設:

(1)輸入軸與軸套配合部位均為方形;

(2)各運動件間無摩擦。

輸入轉速曲線如圖6所示。

圖6 輸入轉速曲線

轉軸間隙為0.205 mm時輸入軸轉速和轉速差曲線如圖7所示,轉軸間隙為0.285 mm時輸入軸轉速和轉速差曲線如圖8所示:

圖7 轉軸間隙為0.205 mm時輸入軸轉速和轉速差曲線

圖8 轉軸間隙為0.285 mm時輸入軸轉速和轉速差曲線

(1)當輸入軸轉速的變化速率發生波動時,離心傳感器輸入軸轉速與傳動軸轉速產生轉速差。

(2)當輸入軸轉速較小發生突變時,轉速差幅值較小;當輸入轉速較大發生突變時,轉速差幅值較大。

(3)離心傳感器輸入軸與軸套的單邊間隙為0.205 mm時,起動最大轉速差為-196 r·min-1,額定轉速下的最大轉速差為68 r·min-1;離心傳感器輸入軸與軸套的單邊間隙為0.285 mm時,起動最大轉速差為-224 r·min-1,額定轉速下的最大轉速差為82 r·min-1。兩種轉軸間隙下轉速差仿真結果對比如圖9所示。

圖9 兩種轉軸間隙下轉速差仿真結果對比

(4)離心傳感器系統穩定時,輸入軸與軸套的接觸關系如圖10所示。

圖10 輸入軸與軸套的接觸關系

2.2 仿真結果分析

當轉速變化速率發生突變時,才會產生轉速差。因為某型離心傳感器的傳動軸為慣性體,系統開始啟動時,從動軸轉速由0逐漸增加至與輸入軸轉速相等,因間隙的存在,在達到轉速同步的過程中,從動軸轉速會發生數次震蕩。

系統達到穩定后,輸入軸轉速以恒定的速率增加,輸入軸與從動軸的轉動加速度相同,始終如圖10所示接觸。當輸入軸轉速突然減小,從動軸因為慣性的作用還保持原來的轉速,兩者之間產生轉速差,因輸入軸與軸套間存在間隙,在達到新的穩態前,輸入軸與軸套產生相對轉動,不再維持如圖10所示接觸關系。

通過對不同轉軸間隙的仿真可知,相同的輸入轉速波動下,輸入軸與軸套的間隙越大,轉速差幅值越大,可能會導致發動機放氣帶工作穩定性變差。

3 內部流場影響分析

根據某型離心傳感器的結構原理,引入發動機定壓滑油作為控制油,在工作時通過內部流道控制薄膜腔的壓力大小,從而使薄膜桿輸出位移,因此滑油在離心傳感器的內部流動情況對其工作穩定性也有一定影響。采用Fluent軟件對某型離心傳感器內部流道的流場進行仿真分析[9-11],深入認識離心傳感器內部流動情況,探索內部流場對其工作穩定性的影響。

3.1 仿真模型建立

湍流模型使用k-epsilon模型,近壁面使用標準壁面函數進行處理[12]。按某型離心傳感器專用技術條件,給定離心傳感器進口滑油壓力0.44 MPa,出口滑油壓力0 MPa。某型離心傳感器內部流道如圖11所示。

圖11 某型離心傳感器內部流道

3.2 結果分析

3.2.1 不同分油活門開度對比

分油活門開度分別按0.800 mm、0.300 mm、0.050 mm、0.016 mm、0.008 mm進行仿真分析。不同分油活門開度時各腔壓力如表1所示;不同分油活門開度下的壓力云圖如圖12所示;不同分油活門開度下的速度云圖如圖13所示。

表1 不同分油活門開度時各腔壓力

圖12 不同分油活門開度下的壓力云圖

根據仿真結果,可以得出:

(1)根據前期離心傳感器微動開關接通、斷開試驗結果,微動開關接通時薄膜腔壓力在0.120～0.140 MPa范圍內,斷開時薄膜腔壓力在0.078～0.091 MPa范圍內,則離心傳感器微動開關接通時分油活門開度位于0.008～0.016 mm之間,斷開時分油活門開度位于0.008 mm附近。離心傳感器微動開關接通、斷開時分油活門開度較小,當發動機轉速或滑油壓力波動較大時,薄膜腔容易發生突變,引發離心傳感器信號燈閃亮。同時,離心傳感器微動開關接通、斷開時分油活門開度過小,滑油流動容易受到分油活門控制邊質量的影響;

(2)離心傳感器內部滑油整體流速較低,高流速區域主要集中在離心傳感器薄膜腔的節流孔和節流孔出口處。

3.2.2 工作時分油活門液動力分析

根據流場仿真結果,對分油活門開度為0.008 mm和0.016 mm時不同節流嘴直徑作用在分油活門上的液動力進行統計,作用在分油活門上的液動力如表2所示。在分油活門開度為0.008 mm和0.016 mm時,不同節流嘴直徑作用分油活門上的液動力均小于0.1 N,遠小于此時的彈簧力,因此基本可忽略作用在分油活門上的液動力對分油活門運動的影響。

表2 作用在分油活門上的液動力

4 結論

本文從傳動鏈動態特性和內部流場對某型離心傳感器進行分析,根據仿真結果,兩者對發動機放氣帶工作穩定性均存在一定影響,基于此對后續改進提出建議:

(1)減小離心傳感器輸入軸與軸套的間隙,可有效降低離心傳感器傳動軸與輸入軸的轉速差,提高發動機放氣帶的工作穩定性;

(2)離心傳感器微動開關接通、斷開時分油活門開度較小,微動開關接通時分油活門開度位于0.008～0.016 mm之間,斷開時分油活門開度位于0.008 mm附近;分油活門開度越小對發動機放氣帶的工作穩定性影響越大,可適當增大工作時分油活門的開度;

(3)離心傳感器微動開關接通、斷開時作用在分油活門上的液動力遠小于此時的彈簧力,基本可忽略其對分油活門運動的影響。