某型航空發動機槳速調節器設計研究

2023-09-20 10:36:32楊明瀟張樹柏

計算機仿真 2023年8期

楊明瀟,張樹柏,吳超

(中國航發北京航科發動機控制系統科技有限公司,北京 100220)

1 引言

槳速調節器是航空發動機螺旋槳變距控制系統的核心部件。其工作原理是通過調節螺旋槳變距腔里的控制滑油流通方向,改變螺旋槳槳距[1]。正常工作狀態下,發動機數控系統采集螺旋槳槳速及槳葉角的大小,當飛機需要變換飛行姿態時,數控系統發出指令,槳速調節器通過調節自身活門開度改變螺旋槳變距腔的供油狀態,實現螺旋槳槳距的控制[2]。

目前,針對槳速調節器的研究較少。大多數槳速調節器采用離心飛重控制方式,如圖1。該方案缺點主要有:

圖1 機械式槳速調節器原理框圖

1)不宜在低轉速范圍內工作。在工作過程中傳動機構帶動離心塊旋轉產生離心力,由于離心力與NG轉速的平方成正比,故在小轉速下,靈敏度較小。

2)存在偏離影響

由于零件之間是間隙配合,在實際工作過程中容易出現分油活門實際位移與產品調試過程中標定位移不一致的情況,造成槳速調節器供油量不足或提前放油,進而使得螺旋槳槳速下降,無法實現螺旋槳目標飛行姿態。

3)容易發生卡滯。該方案在反槳過程中采用的是電液伺服閥供油,且電液伺服閥前沒有油濾,油液中的雜質容易在電液伺服閥內聚集發生卡滯。

針對上述問題,本文基于產品研制需求,提出采用電控方式實現對發動機螺旋槳變距腔供油的設計方案,從而以較快速度改變螺旋槳槳距,達到飛機工作狀態要求。在研制方案上增加了反槳電磁閥、順槳電磁閥,從而提高產品的可靠性。

2 槳速調節器工作原理及建模

2.1 組成及工作原理

電控槳速調節器由滑油增壓系統和槳速調節系統組成,通過電液伺服閥控制分油活門開度,實現對螺旋槳變距腔供油狀態的控制。其工作原理框圖見圖2。

槳速調節器通過調節螺旋槳活塞缸(變距腔)里的控制滑油實現螺旋槳槳距控制。發動機螺旋槳主要有三種工作狀態即順槳、反槳和保持狀態。

當螺旋槳處于順槳狀態時,螺旋槳槳距逐漸增大,此時活塞缸(變距腔)里的控制滑油將逐漸減少,流回油箱。當處于反槳狀態時,螺旋槳槳距逐漸減少,此時槳速調節器出口與活塞缸進口連通,將增壓滑油供給活塞缸實現反槳。當螺旋槳槳距需要保持當前狀態時,槳速調節器出口與活塞缸的進口之間將會切斷,同時保持活塞缸當前壓力,防止活塞缸現有滑油流出。

滑油增壓系統由齒輪泵和安全活門組成,低壓油經過齒輪泵的增壓后,達到系統要求的工作壓力,安全活門保證最大工作壓力不超過產品許用極限。

槳速調節系統包括β活門、反槳電磁閥、順槳電磁閥、電液伺服閥、分油活門。正常工作時,電液伺服閥接收電子控制器指令調節分油活門閥芯位置改變滑油增壓系統與螺旋槳變距腔油路的連通關系,調整變距腔運動狀態,進而改變螺旋槳槳距,使槳速發生變化。與螺旋槳連接的傳感器采集轉速信號反饋給電子控制器形成閉環控制。當轉速到達期望值時,電液伺服閥控制分油活門閥芯關閉,切斷變距腔油路,槳距維持在當前值,轉速達到平衡。β活門通過反槳杠桿連接到螺旋槳反饋環,在螺旋槳進入小槳距模式時,β活門關閉,切斷變距腔滑油供給,阻止螺旋槳槳距進一步變小。當需要反槳情況時,反槳電磁閥打開,將β活門油路切斷,將泵后滑油直接供給至分油活門,同時電子控制器通過指令控制分油活門處于最大打開狀態,實現快速反槳功能。當需要緊急順槳情況時,順槳電磁閥打開,螺旋槳變距腔里的滑油通過順槳電磁閥流回油箱,實現快速順槳功能。

2.2 主要部件數學模型

2.2.1 齒輪泵

齒輪泵通過齒輪的嚙合運轉將機械能轉換為油液的液壓能[3]。由于齒輪泵在燃油泵調節器中應用十分廣泛,在槳速調節器中同樣使用齒輪泵作為滑油的主要增壓元件。同時由于槳速調節器使用滑油作為傳輸介質的特點,降低了齒輪泵出現掃膛的概率,有效避免了由此產生的污染物對下游活門的影響。齒輪泵流量的數學模型為

Q實際=7Zm2Bnην

(1)

式中Z為齒輪齒數,m為齒輪模數,B為齒輪齒寬,n為槳速調節器額定轉速,ην為容積效率。

2.2.2 安全活門

安全活門由閥芯、閥套、壓縮彈簧、調整墊片等部分組成,其作用是在泵后壓力過大時,活門打開,把一部分泵后油排至油泵進口,從而降低泵后壓力,使泵后壓力穩定在工作范圍內。

安全活門的最大流量計算公式為

(2)

式中Qmax為安全活門的最大流量;μ-滑油流量系數;A為安全活門的過流面積;ΔP為安全活門進出口壓差;ρ為滑油密度。

式(2)中過流面積可以根據閥芯的位移量進行計算,其計算公式如下

(3)

式中r為安全活門過流孔直徑。

2.2.3β活門

β活門是槳速調節器另一個安全活門,其作用是當發動機螺旋槳達到平衡位置(一般螺旋槳槳距角在18°左右位置)時,當電液伺服閥發生故障,使得分油活門無法關閉,此時連桿機構控制β活門閥芯,使得閥芯與閥套之間的過流面積為零,切斷油,使得螺旋槳槳速維持在平衡位置。

根據槳速調節器工作原理,為保證槳速調節器供油量滿足發動機螺旋槳使用需求,需對槳速調節器整體泄漏量進行分析。β活門因其結構形式為閥芯閥套間隙配合,故對其泄漏量進行計算。

β活門泄漏量計算公式為

(4)

其中d是β活門孔直徑,δ是縫隙量,L是縫隙長度。

2.2.4 電液伺服閥

電液伺服閥是槳速調節器的控制元件,按照設計方案,電液伺服閥通過反饋電流輸出不同壓力的伺服滑油作用于分油活門的閥芯,通過閥芯的位移與閥套的型孔形成過流面積,從而實現對螺旋槳變距腔的供油。

在電液伺服閥選型過程中,需要根據分油活門閥芯的初始受力情況計算電液伺服閥工作壓力。

PA=Kx

(5)

式中P為電液伺服閥的伺服油壓力,A為伺服油作用閥芯的接觸面積,K為分油活門彈簧剛度,x彈簧的預壓縮量。

2.2.5 分油活門

分油活門由活門、彈簧和調整螺釘組成。其工作過程為電液伺服閥根據發動機的控制信號調節分油活門出口的開度,提供發動機不同狀態時所需要的滑油。當發動機處于穩態時,分油活門的閥芯將出油口完全關閉,保持螺旋槳液壓缸的壓力。當螺旋槳槳距變大即液壓缸壓力減小時,電液伺服閥增大控制油壓,增大閥芯與閥套的相對位移,使進油口和出油口的相對開度增大,提高液壓缸的壓力,減小槳距。當螺旋槳槳距變小時即液壓缸壓力增大時,電液伺服閥減小控制油壓,閥芯與閥套的相對位移減少,關閉進油口,使液壓缸油路與出油口相通,對液壓缸進行泄壓。當螺旋槳槳距達到要求值時,關閉油路。分油活門閥芯的力平衡方程為