涡扇发动机稳态转速控制器部件级建模仿真

李鹏辉 张恕森 肖冬选 彭红梅/成都航利（集团）实业有限公司

0 引言

在航空发动机领域，液压机械控制系统仿真技术的应用对系统性能改进与提高发挥着越来越重要的作用，相比于实际系统，该技术拥有可修改性强，可扩展性大，可观测性好，节约人力、物力，时间较短等优势。建立仿真模型能够使技术人员更加深入明确地了解系统内各部件的工作情况，获得参数变化对系统的影响，特别是对预测故障风险、模拟故障现象的特征、定位故障、排除故障具有重要作用。

目前，国内对液压机械控制器的仿真研究多集中于单个零件，缺乏对部件级、系统级的研究。本文以某型涡扇发动机稳态转速控制器为研究对象，利用AMESim 软件进行部件级建模和仿真，并将输出结果与该型发动机的试验大纲进行对比，以验证模型的准确性。

1 AMESim 仿真软件

AMESim 是法国IMAGINE 公司推出的一款高级建模和仿真软件，可通过机械运动学方程与液压基础方程定义液压机械系统中的质量、活塞腔、节流孔、管路、弹簧、杠杆等一系列基础元件库，并通过这些基础元件库建立控制系统仿真模型，具有面向对象、建模方式简单、内置大量经验公式、工程实用性强等优点，在国内被各发动机、控制器研究所广泛使用。

利用AMESim 实现液压机械控制系统的建模和仿真主要基于以下4 个过程：

1）sketch mode——从不同的应用库中选取现存的图形。

2）submodel mode——为每个图形选择子模型（即给定合适的数学模型假设）。

3）parameter mode——为每个图形模型设置特定的参数。

4）simulation mode——运行仿真并分析仿真结果。

2 稳态转速控制器功能部件建模

稳态转速控制器由温度放大与修正装置、转速给定装置、转速测量装置、液压放大器和执行机构等组成，如图1所示，其功用是：在节流状态或最大和加力状态因发动机综合调节器故障改由液压机械调节器工作时，根据给定的转速调节规律自动保持给定的转速，当油门杆位置改变时自动改变发动机的工作状态。

2.1 温度放大与修正装置

温度放大与修正装置对测量的发动机进口温度进行放大，并对转速指令信号进行温度修正。由于发动机的飞行包线较广，油门杆角度相同时，稳态转速控制器根据进口温度的不同，提供与发动机相匹配的转速指令信号。

温度放大与修正装置由分油活门、活塞、齿条活塞、反馈杠杆、温度凸轮、传动轴、转速控制杆等构成，将由主（副）温度传感器输出的温度信号进行放大，最后转变为执行机构处齿轮的转动，进而带动温度凸轮转动，对稳态的燃油量进行调节。当发动机进口温度升高时，分油活门左腔压力增大，套筒左移，开大放油孔，齿条活塞左腔油压随放油孔的开大而减小，齿条活塞左移，带动反馈杠杆逆时针转动，反馈杠杆又使分油活门左移，关小放油孔。齿条活塞左腔油压逐渐回升，直到达到新的平衡。同时，齿条活塞不断左移，带动齿轮顺时针转动，温度凸轮随之顺转。慢车状态时，右半凸轮以和慢车转速控制杆接触点半径变化的形式将信号依次传递给慢车转速控制杆、下传动轴、控制杆，经弹簧作用于摆杆右侧，影响摆动活门的开度；大于慢车转速时，左半凸轮半径变化由转速控制杆、下传动轴、控制杆传递到转速控制器摆杆右侧。温度放大与修正装置AMESim 模型如图2 所示。

图1 稳态转速控制器结构原理图

图2 温度放大与修正装置AMESim模型

按照试验大纲要求，给图2 所示模型输入大小为0.343MPa 的温度指令油压，并平稳增加至1.264MPa，整个试验过程的输出结果均满足大纲规定要求，初末时刻位移量见表1。

2.2 转速给定装置

座舱内操纵油门杆带动油门杆控制凸轮转动，凸轮半径的变化通过摇臂传递至转速控制杆的下端，转速控制杆以其与温度凸轮的接触点为支点转动，带动下传动轴移动，后经控制杆、上传动轴、小弹簧，作用于摆杆右侧。例如，推油门杆时，油门杆控制凸轮半径增大，摇臂逆时针方向转动，带动转速控制杆顺时针转动，下传动轴左移，经控制杆使上传动轴左移，从而压缩转速控制器小弹簧，增大作用在摆杆右端的弹簧力，摆杆左移，关小摆动活门回油口，随动活塞上腔油压增大，随动活塞下移，发动机供油量增加，转速增大。转速给定装置AMESim 模型如图3 所示。

按照试验大纲要求，将油门杆置于12°，分别设置发动机进口温度为-60 ℃、-30 ℃、0 ℃、30 ℃、……、210℃，从慢车状态开始向大角度方向推油门杆，对应的摆动活门右侧弹簧力输出见图4。可以看出，同一温度下油门杆角度越大，对应的弹簧力越大，与发动机控制规律及设计手册 相符。

表1 温度放大器活塞杆初末 时刻位移量

2.3 转速测量装置

转速测量装置由两个离心飞重块、飞重支架、传动轴、顶杆等组成，用于感受发动机n2转速信号，并将其转换为离心飞重的换算离心力。当发动机n2转速增大时，离心飞重块向大角度方向张开，作用于摆杆左侧的换算离心力增大，摆杆向右摆动，使弹簧压缩，弹簧弹力增大，直到达到新的平衡位置。转速测量装置的AMESim 模型如图5。

图3 转速给定装置AMESim模型

图4 大于慢车转速时不同温度下的摆动活门弹簧力指令

2.4 液压放大器和执行机构

液压放大器由校正装置、随动活塞、带摆杆的液压分压器等组成，摆杆位置控制着摆动活门的开度，随动活塞上腔油液通过校正装置后经摆动活门回油，进而使随动活塞上腔油压变化，随动活塞上下移动，并通过连接支挡操纵计量活门开大或关小，改变燃油流量。液压放大器的AMESim 模型如图6。

执行机构由随动活塞和计量活门等组成，计量活门和供油量反馈凸轮、随动活塞传动摇臂装在同一个轴上，由随动活塞带动旋转。计量活门上有基本对称的两个特殊型孔，型孔的开度即燃油流通面积与计量活门的转动角度或随动活塞的位移量成指数关系。执行机构的AMESim 模型如图7。

3 稳态转速控制器仿真输出

按照转速控制器液压机械系统工作原理，将上述各功能模块通过接口连接，得到稳态转速控制器AMESim 模型，如图8 所示。

由稳态转速控制器原理可知，稳定状态时，摆动活门处于中立状态，摆杆左端的换算离心力等于右端的弹簧力。因此，以平衡状态对稳态转速控制器的稳态值进行调试，验证参数包括慢车均衡转速温度修正曲线、最大均衡转速温度修正曲线以及油门角度特性 曲线。

图6 液压放大器AMESim模型

图7 执行机构部分AMESim模型

按照试验大纲设置模型参数，对稳态转速控制器进行仿真，图9 为慢车均衡转速温度修正特性输出结果，图10为最大均衡转速温度修正特性输出结果，图11 为油门角度特性输出结果，各特性曲线均在试验大纲规定的上下限范围内，表明稳态转速控制器仿真输出结果满足试验大纲要求。

图8 稳态转速控制器AMESim模型

图9 慢车均衡转速温度修正

图10 最大均衡转速温度修正

图11 油门角度特性

4 结论

通过对涡扇发动机稳态转速控制器各功能部件工作原理和过程的分析，利用AMESim 建模软件，对温度放大及修正装置、转速给定装置、转速测量装置、液压放大器、执行机构等五个功能部件进行建模，最终完成了稳态转速控制器的部件级建模仿真，并由试验大纲验证了模型的准确性。该模型能够准确反映稳态转速控制器的实际工作过程，并以数据的方式更加精确直观地展示，可为发动机实际修理提供理论指导和仿真支撑，为后期改型、故障诊断、性能提升等提供理论工具。