液壓模式沖壓空氣渦輪系統聯合仿真研究

杜鑫，柯兵，干梁，顧嘉偉

(中國航空工業集團公司金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇南京 211106)

0 前言

沖壓空氣渦輪系統(Ram Air Turbine，RAT)是飛機的應急能源系統，在飛機應急狀態下展開，在相對氣流中轉動，驅動RAT液壓泵工作，為飛機提供應急液壓能源[1]。目前，國內學者在RAT的總體結構特點、RAT輔助功能及實現方式、RAT選型方法等方面進行了一定的研究，在RAT動態特性、RAT展開過程強度計算、RAT溫流功能設計方法等方面開展了較為詳細的研究。

國內已開展多型液壓模式RAT的研制工作，但尚未建立液壓模式RAT的綜合仿真分析平臺，一定程度上制約了RAT的研制工作。本文作者在分析液壓模式RAT工作原理基礎上，建立液壓模式RAT聯合仿真模型，分析液壓模式RAT的啟動特性、轉速穩定性、功率輸出特性等，為液壓模式RAT的仿真分析奠定一定的技術基礎。

1 LMS聯合仿真及液壓模式RAT概述

1.1 LMS聯合仿真

液壓模式RAT為典型的集成了機械、液壓、氣動、控制等多學科的復雜系統，若采用傳統的單一流體傳動仿真或動力學仿真，無法綜合模擬產品的功能性能[2]。LMS Imagine.Lab可提供集成1D電液系統模型與3D動力學模型的仿真環境，建立完整的閉環系統模型，完成1D+3D的機電液一體化仿真分析[3]。文中在LMS仿真環境下建立了液壓模式RAT聯合仿真模型，進行液壓模式RAT綜合性能仿真分析。

1.2 液壓模式RAT

典型液壓模式RAT結構如圖1所示，主要由渦輪部件、齒輪箱、液壓泵、支撐部件、收放機構等部分組成。緊急情況下，由收放機構將渦輪部件展開至氣流中，渦輪將提取的空氣沖壓能轉變旋轉機械能，通過齒輪傳動驅動液壓泵工作，為飛機提供液壓能。

圖1 液壓模式RAT結構Fig.1 Schematic of hydraulic RAT structure

杜鑫等人[4]在ADAMS環境下建立了RAT的虛擬樣機模型，分析了RAT的轉速穩定性及展開過程主要支撐零件的動態強度。夏天翔等[5]在AMESim環境下建立了RAT的動態分析模型，對RAT調速性能、RAT艙門聯動機構等進行了分析。但目前仍然缺少對液壓模式RAT的結構與液壓相耦合的綜合仿真分析。

2 動力學建模

2.1 渦輪部件原理分析及動力學建模

渦輪部件為RAT的功率提取模塊，典型結構如圖2所示。

圖2 渦輪部件結構Fig.2 Turbine component structure

葉片為渦輪部件的功率提取零件，其扭矩輸出能力：

TD=CmT

(1)

其中：T=ρv2Ar為葉片掃掠面積內的氣動扭矩，ρ為空氣密度，v為來流速度，A為渦輪掃掠面積，r為渦輪半徑；Cm=f(θ,λ)為葉片的氣動扭矩系數，與葉片槳距角θ和葉片的尖速比λ相關。葉片氣動扭矩系數Cm可通過葉片的CFD計算得到，產品葉片Cm曲面如圖3所示。

圖3 渦輪葉片Cm曲面Fig.3 Cm surface of blade

為保證RAT液壓泵的正常工作，渦輪內部設置一套離心調速機構，保證渦輪在全包線內的輸出轉速穩定在一定范圍。渦輪調速機構主要由葉片、離心塊、離心塊座和調速彈簧等組成。渦輪轉動過程中，通過離心調速機構的力矩平衡關系動態調節葉片槳距角，以適應來流風速、后端負載等的變化。以離心塊座為基礎，調速機構力矩平衡方程如下：

(2)

當風速減小或負載增加時，渦輪轉速減小，ML減小，調速彈簧通過后彈簧座推動凸輪右移，離心塊座帶動葉片轉動，葉片槳距角θ減小，葉片氣動扭矩系數增加，渦輪轉速增加，進而達到新的平衡轉速。

將液壓模式RAT三維模型以Catia格式導入Motion中，設置零件材料屬性，并根據動力學計算需求將相關零件三維模型轉化為body。根據渦輪部件各零件之間的裝配約束關系，設置渦輪部件各零件之間的運動副。渦輪部件模型主要運動副如表1所示，同時在旋轉副、移動副增加摩擦因數。

在前彈簧座和后彈簧座彈簧安裝平面中心設置2個Hard point。通過在兩Hard point之間設置TSDA彈簧力模型模擬調速彈簧功能。根據調速彈簧參數設置TSDA的自由長度、剛度、阻尼等參數，并將彈簧力類型設置為Compression_only。

在葉片和輪轂及輸入軸和大地處添加Sensor axis動態測量葉片扭轉角度和渦輪轉速ω，用于計算葉片槳距角θ和葉片尖速比λ。仿真過程，模型動態讀取θ、ω參數，并通過插值函數T=eval_spline(Cm,θ,ω)求解渦輪的氣動扭矩，驅動渦輪部件旋轉。

2.2 液壓泵原理分析及動力學建模

RAT液壓泵為斜盤式軸向柱塞泵，結構如圖4所示。因斜盤與主軸具有一定的傾斜角度，轉子帶動柱塞繞主軸旋轉的同時，驅動柱塞在轉子內進行軸向運動。結合液壓泵分油盤等機構，實現液壓泵的吸油、排油功能。

根據RAT液壓泵各零部件之間的裝配約束關系，在Motion中設置液壓泵的運動副。其主要運動副如表2所示，同時在旋轉副、平面副設置摩擦因數。

表2 液壓泵主要運動副Tab.2 The main movement pairs of hydraulic pump

2.3 液壓模式RAT動力學建模及分析

渦輪部件與液壓泵之間由齒輪箱進行傳動，在Motion模型中，通過齒輪箱殼體與輸入軸、輸出齒輪之間的2個轉動副設置齒輪副，用于模擬齒輪傳動功能。建立的液壓模式RAT動力學仿真模型如圖5所示。

圖5 液壓模式RAT動力學仿真模型Fig.5 RAT dynamic model in hydraulic mode

設置來流風速80 m/s，t=2 s時，在渦輪后端加載10 N·m負載扭矩，運行動力學模型。渦輪轉速、葉片尖速比、槳距角等動態仿真曲線如圖6所示。由仿真結果可知：1.5 s后渦輪轉速穩定在6 300 r/min，葉片槳距角為29°。渦輪部件后端加負載扭矩后，渦輪槳距角減小至25°，葉片氣動扭矩增大，渦輪轉速可保持穩定。仿真結果與理論分析結果一致，渦輪部件動力學模型正確。

圖6 渦輪轉速、槳距角動態仿真曲線Fig.6 Simulation curves of turbine speed and pitch angle

在渦輪部件驅動下，液壓泵轉子轉動，驅動柱塞在轉子內進行軸向運動，各柱塞相對轉子的軸向位移曲線如圖7所示。可知：柱塞在轉子內運動平穩，各柱塞之間的相對運動關系正確。t=2.5 s時，將斜盤傾角由12°調整至7°，柱塞軸向位移幅值由8.4 mm減小至5.6 mm，柱塞軸向位移量與理論結果一致。柱塞軸向運動周期約為0.009 5 s，折合轉子轉速為6 315 r/min，與渦輪轉速參數相同，液壓泵動力學模型正確。

圖7 RAT液壓泵柱塞軸向位移曲線Fig.7 Axial displacement curves of RAT hydraulic pump plunger

3 RAT液壓建模

3.1 RAT液壓泵原理分析

RAT液壓泵為柱塞式恒壓變量泵，為減小RAT啟動時間，RAT液壓泵設置電磁卸荷功能，其工作原理如圖8所示。當外部負載油流需求減小，液壓泵出口壓力增大，控制閥閥芯右移，高壓油液進入隨動活塞左側腔。隨動活塞推動液壓泵斜盤轉動，使得斜盤角度減小，液壓泵輸出流量減小，輸出壓力降低，并最終維持在額定壓力。

圖8 RAT液壓泵調壓、卸荷工作原理Fig.8 Pressure regulation and unloading principle of RAT hydraulic pump

飛機通過飛控計算機或RAT控制器采集RAT轉速信號，當RAT液壓泵主軸轉速小于某設定值時，飛機向卸荷閥通電，電磁卸荷閥工作，反之，卸荷閥停止工作，該設定轉速稱為卸荷轉速。卸荷閥工作時，液壓泵輸出油液經卸荷閥流入卸荷活塞左側腔。在卸荷活塞作用下，推動控制閥閥芯右移，油液進入隨動活塞左腔，隨動活塞右移，將液壓泵斜盤轉向零角度，使得液壓泵處于卸荷狀態。卸荷閥停止工作時，卸荷油路截止，液壓泵可正常建壓，對外輸出額定壓力的高壓油液。

3.2 RAT液壓泵液壓建模及分析

考慮液壓泵斜盤橫向角影響，柱塞相對轉子的運動學方程[6-8]如下：

sec2γ·cosφ]

(3)

液壓泵工作時，柱塞將軸向液壓力作用在斜盤上，根據柱塞、斜盤的結構分析，斜盤所受力矩表達式[9-10]為

(4)

其中：M為斜盤受到的力矩；d為柱塞直徑；Z為柱塞數量；Pi(φ)為柱塞i的油液壓力；e為斜盤轉軸相對轉子轉軸的偏心距。根據上述分析，利用AMESim仿真平臺中的功能模塊，建立RAT液壓泵仿真模型如圖9所示。

圖9 RAT液壓泵仿真模型Fig.9 Simulation model of RAT hydraulic pump

設置液壓泵主軸轉速在1 s內由0 r/min升高至6 500 r/min，并通過調節節流孔參數模擬機上負載，液壓泵輸出壓力、流量仿真曲線如圖10所示。可知：RAT液壓泵轉速小于卸荷轉速時，液壓泵卸荷功能正常，卸荷壓力為(3.5±0.7) MPa。液壓泵轉速大于卸荷轉速后，RAT液壓泵可正常建壓，輸出壓力穩定在(17.2±0.6)MPa，且在負載變化下，液壓泵輸出壓力穩定。仿真數據與分析結果一致，RAT液壓泵液壓模型可靠。

圖10 RAT液壓泵輸出流量、壓力曲線Fig.10 Output flow and pressure curves of RAT hydraulic pump

4 液壓模式RAT聯合仿真建模及分析

4.1 聯合仿真接口分析及建模

在液壓模式RAT系統內部，可將液壓泵視為渦輪部件的負載，液壓泵的功率輸出影響了渦輪部件的功率提取效率、轉速等。相反地，渦輪的輸出轉速、扭矩影響液壓泵的功率輸出性能，液壓模式RAT為機械與液壓相耦合的綜合系統。

在Motion環境下建立動力學模型，主要開展渦輪部件、液壓泵的動力學計算。AMESim環境下建立的液壓模型主要開展RAT液壓泵的流體仿真，同時完成柱塞、斜盤的動力學計算。根據動力學和液壓模型特點，兩模型之間的主要接口設置如圖11所示。

圖11 Motion與AMESim模型數據交換關系Fig.11 Data interchange relationship of Motion and AMESim

在AMESim中通過Interface icon建立兩模型的接口文件，用于柱塞液壓力、斜盤傾角、主軸轉速等信號數據交互。AMESim通過接口文件輸出柱塞液壓力、斜盤傾角信號，同時接收液壓泵主軸轉速信號，驅動液壓泵運行。液壓模式RAT液壓模型及接口如圖12所示。

圖12 液壓模式RAT液壓泵仿真模型Fig.12 RAT hydraulic pump simulation model in hydraulic mode

在Motion中，通過Two-body Control Output接收AMESim輸出的9個柱塞受到的液壓力(F1,…,F9)，并將液壓力加載到相應的柱塞與轉子之間。在斜盤與液壓泵安裝座轉動副上添加角度驅動，通過Joint position driver/Time angle function/CONTRON.NODE讀入AMESim提供的斜盤角度參數，動態驅動斜盤轉動。

動力學模型通過Two-body control input檢測渦輪轉速ω，并將轉速數據通過接口參數Control nodeω傳遞至AMESim液壓模型。

建模過程中，需根據Motion模型各柱塞的初始位置，設置AMESim斜盤子模型中各柱塞的初始角度參數，確保兩模型的9個柱塞的初始角度相同，從而保證液壓力正確地加載到動力學模型上。

聯合仿真模型采用Coupled方式進行仿真，以Motion為主求解器，AMESim將液壓模型編譯為.dll文件集成到Motion中，分析過程由Motion進行積分求解。完成求解后，在Motion及AMESim中均可查看相關的仿真結果。

聯合仿真前，在AMESim中確認液壓模型可通過編譯并處于Simulation狀態，執行Write auxilitary file生成.opt文件，用于與Motion的聯合仿真。設置兩模型之間的數據通信頻率，運行Motion動力學模型，系統可驅動AMESim模型開展同步仿真計算。

4.2 聯合仿真結果分析

設置來流風速85 m/s，液壓模式RAT處于小負載狀態啟動，在時間為2、3 s時改變RAT后端負載，運行聯合仿真模型4 s。

在AMESim中查看仿真結果如圖13所示。可以看出：液壓泵卸荷功能正常，液壓泵在建壓后輸出壓力可穩定在17.8 MPa。當RAT后端負載變化后，液壓泵通過調節斜盤角度，可保持RAT輸出壓力穩定。

圖13 RAT液壓泵AMESim仿真曲線Fig.13 AMESim simulation curves of RAT hydraulic pump

在Motion中查看RAT液壓泵斜盤偏轉角度、渦輪轉速、葉片槳距角及葉片氣動扭矩曲線如圖14所示。Motion模型中液壓泵斜盤偏轉角度與AMESim模型數據相同，兩模型數據交換正確。

圖14 渦輪部件Motion仿真曲線Fig.14 Motion simulation curves of RAT component

RAT啟動初期，渦輪葉片初始槳距角為11°，隨渦輪轉速的增加，葉片尖速比增加，葉片提取氣動扭矩增大，渦輪轉速增加。t=1.3 s，在調速機構作用下，離心塊座轉動，葉片槳距角增大，葉片氣動扭矩先增大后急劇減小，到t=1.6 s時渦輪轉速達到穩態值6 300 r/min，此時葉片槳距角保持在26.5°。之后，當RAT負載變化時，調速機構動態調節葉片槳距角以適應RAT負載的變化，保證渦輪輸出轉速穩定。

由圖13可知：在t=3 s時，RAT對飛機輸出油液壓力為18 MPa，輸出流量為13 L/min，RAT輸出功率為3.9 kW。由圖14可知：t=3 s時，渦輪轉速為6 300 r/min，葉片氣動扭矩為6.78 N·m，渦輪提取功率為4.8 kW。RAT總體效率為0.81，該效率值與液壓泵效率約為0.85的試驗值基本一致。

通過Motion查看RAT液壓泵柱塞1軸向位移曲線與液壓力曲線，如圖15所示。柱塞處于排油階段，柱塞受到高壓油液推力約為1 400 N，柱塞處于吸油階段，柱塞受到液壓力約為0 N。柱塞軸向位移與所受液壓力之間的關系正確，液壓力與理論值分析一致，液壓模式RAT聯合仿真模型可靠，仿真數據可信。

圖15 柱塞軸向位移與液壓力曲線Fig.15 Axial displacement and liquid pressure of piston

5 總結

文中分析了液壓模式RAT工作原理，分別在Motion和AMESim環境下建立了液壓模式RAT的動力學模型和液壓仿真模型。通過接口文件，形成了基于LMS的液壓模式RAT聯合仿真模型。

在聯合仿真模型平臺上，分析了液壓模式RAT的啟動性能、動態調速性能、液壓泵調壓性能、輸出功率特性等，計算了RAT啟動過程、RAT后端負載變化工況下，液壓模式RAT轉速、葉片槳距角、RAT輸出壓力、輸出流量等的動態特性。仿真結果與理論分析結果一致，為液壓模式RAT的研制及仿真計算提供了技術支持。