第十章 航空发动机过渡状态控制系统..

风扇转速的指令信号由油门杆角度或自动飞行系统的指令、 环境因素、发动机的工作状态和有关参数等确定。在风扇转速 指令信号的计算过程中用到的重要参数有：风扇转速，核心机 转速，2.5级换算转速，环境静压，压气机出口静压，进口总压 ，环境总温，风扇进口总温，高压压气机进口总温，马赫数和 引据状态等。下图为CFM56－5B发动机nH指令信号的计算 。
b)
Pt3压力测量装置 Pt3压力测量装置如图所示，它包括压力波纹管1，真空波纹 管2，和杠杆3、4。 Pt3压力的空气由燃烧室进口引来。真 空波纹管和Pt3压力波纹管的材料和结构尺寸完全相同，具 有相同的特性。它们距支点O的距离相同，即l1=l2。真空波 纹管的外面通大气， Pt3波纹管的里面通大气，当环境压力 改变时，两个波纹管所受的环境压力影响可互相抵消，即 利用真空波纹管排队环境压力对Pt3压力波纹管的影响。 压力测量装置的输入量为Pt3 ，输出量 为作用于滚轮上的力F，F与Pt3成正比 。
第十章 航空发动机过渡状态控制系统

航空发动机过渡状态控制包括起动、加减速、加力接通与断 开和压气机防喘控制等，过渡态控制绝大部分属于程序控制 ，或以程序控制为主，辅以少量自动操纵与自动联动装置。 本章主要介绍加减速、起动和加力接通与断开控制。加减速 控制是过渡态控制中最重要的控制，减速控制的要求和手段 与加速控制相似，所以，在讨论加减速控制时重点讨论加速 控制。
加速控制规律 目前，经常采用的加速控制规律可以归纳为以下几种。 （1）加速供油量Wf,ac随压气机出口压力Pt3变化。如图所示某 发动机的加速供油量随压气机进出口压差的变化。

（2）按油气比（Wf,ac/Pt3）与转速nH的函数关系。如图所示某 发动机加速油气比与转速的关系。
这种控制方案的主要特点是： ① Wf,ac/Pt3是燃油流量与空气流量之比的一个指标（ Wf,ac/Pt3 可近似认为是燃油流量与空气流量之比，简称为油气比）， 也是涡轮进口温度的一个指标，能够实现安全可靠的加速控 制。 ②压气机喘振特性能够准确地确定为Wf,ac/Pt3与高压转子转速 的一个函数。采用这种加速控制方案的主要优点是万一加速 进入喘振区，由于喘振引起压气机出口压力Pt3下降，而转速 因惯性还来不及变化，那么，加速控制器将按式的关系，迅 速地将加速供油量相应地减少，起到了自动退喘作用。 因此这种加速控制方案目前在航空发动机控制上得到广泛应 用。
①计量装置 计量装置的功用是将油泵供油量计算装置确定的油量供往发 动机，并将剩余燃油回至油泵进口。计量装置为定压差流量 控制器，由油门和压差控制器组成。 a) 油门 油门为该系统的执行元件，它由油针和孔板组成。当油门 放大器活塞移动时，带动油针作轴向移动改变油门的流通 面积At。油门放大器活塞位移（即油门油针位移）m增加， 则油门流通面积At增大。 b) 压差控制器 压差控制器如图所示，它由压差 调整弹簧1，温度补偿片2，喷嘴挡板 3，节流嘴4，活塞5，回油阀6，薄膜 7和杠杆8等组成。
加减速控制概述

最佳加速性 为了评定加速性能好坏，在这里引进最佳加速性的概念。所 谓加速性是指发动机从一个状态过渡到另一个状态的能力， 通常以发动机从慢车转速安全、可靠地加速到最大转速所需 的时间长短来评定。所需的时间越短，则加速性越好。 加速时最大供油量曲线将受发动机喘振边界涡轮前最高燃气 温度边界的限制。如图所示。 图中，①－稳态供油量曲线； ②－最佳加速供油量曲线； ③－发动机涡轮前燃气最高允 许温度限制线； ④－压气机喘振边界； ⑤－发动机贫油熄火边界。

③发动机一旦出现喘振，Pt3会急剧下降，以Wf/Pt3作为控制参 数时，Wf将随Pt3的减小而减小，使压气机自动退出喘振， 但会使剩余功率减小。 由于这种加速控制规律不是按发动机加速相似关系建立的， 因此，飞行条件改变时， Wf/Pt3与nH的关系曲线会略有改变 ，不能保证在任何飞行条件下都获得同样良好的加速性。 （2）控制系统的组成及工作原理 实现Wf/Pt3＝f（nH）控制规 律须采用复合控制系统，即在 闭环控制回路基础上，增加Pt3 的开环补偿通路。如图所示为 实现这种控制规律的一种控制 系统原理图，控制器由计量装 置与计算装置两部分组成。
下垂凸轮杠杆机构 下垂凸轮杠杆机构包括下垂凸轮3，下垂杆4（支点为c）， 随动杆2和比例杆1，见图。 当操纵杆位置不变时，转速选择凸轮5的位置一定，使随动 杆6和7的位置及下垂杆支点c的位置一定。当转速nH变化时 ，转速测量装置活塞8移动，带动下垂杆绕固定支点c转动 ，并通过下垂凸轮3、随动杆2和比例杆1带动滚轮，将感受 的转速信号转变为滚轮位移，使Pt3测量装置输出力F的力 臂x变化（见下图）。 下垂凸轮杠杆机构完成系统反 馈信号nH的计算，保证滚轮位移x 与nH转速之间满足给定的函数关系， 即 x=f1(nH)
在供油量指令信号的计算过程中采用的安全保护限制措施有 ：核心机转速的限制（ nH最大及最小），压气机出口静压的限 制，油气比的限制，变化速率的限制。下图为CFM56－5B发 动机的燃油控制限制示意图。
需要特别指出的是，由于采用了数字式电子控制，可以通过 复杂的算法和保护逻辑实现最优加减速控制，这在采用机械液 压式控制器时是难以实现的。
按照换算参数的加速供油特性
液压机械式加速控制器
常见的液压机械式加速控制器有升压限制器、液压延误器、 气动式加速控制器、按换算参数的加速控制器等，下面仅介 绍两种比较简单的加速控制器，即气动式加速控制器和油气 比加速控制器。 气动式加速控制器 气动式加速控制器在加速过程中按发动机压气机出口压力Pt3 的程序供油，如图所示中的关系曲线。由于Wf,ac测量较为复 杂，当飞行条件变化不大时，为了方便起见，可以用测量油 门开关前油压PT代替燃油流量Wf,ac的测量。 由于直接测量压气机出口压力Pt3不如测量压气机进出口压差 （ Pt3－Pt2）方便，因此采用压气机进出口压差（ Pt3－Pt2 ）代替Pt3，最终将Wf,ac＝f(Pt3)关系曲线转化为Wf,ac ＝（ Pt3 －Pt2）关系曲线，控制器的工作原理见下图。
（3）加速控制与稳态调节 ① 加速控制 当快推油门操纵杆由慢车位置到最大位置时，转速选择凸 轮转过相应的角度，转速选择凸轮与随动杆6的接触点a由 慢车状态的最高位置迅速转至最大状态的最低位置。下垂 杆4与随动杆7的接触点c也由最高位置降至最低位置。C点 位置的大幅度变化，经下垂杆、下垂凸轮、随动杆2和比例 杆使滚轮大幅度下移，增大x，其结果会使供油量急剧增加 ，超过如图所示的加速边界线，而进入喘振区。 ② 稳态调节 稳态调节是指油门操作杆位置不变，飞行条件改变时，控 制系统的工作过程。
（3）按换算供油量与换算转速的函数关系，如图所示绘出了 某发动机最优加速时换算供油量与换算转速的函数关系。若 直接按式的关系进行加速控制器的设计，则测量参数多，且 参数综合复杂，同时，温度测量惯性大，如果采用机械液压 式控制器来实现有一定的困难。因此实际使用时都先将该式 进行简化与近似。 为了减少测量参数，特别要避免温度的测量，根据发动机原 理，采用简化综合手段，将如图所示的关系曲线转化为另一 种关系曲线。

随着发动机转速n的增大，压气机出口 压力Pt3也增大，相应的分压Pt3也增大， 使加速阀左移，逐渐关小节流孔C，D。 当转速增大到一定值后，加速阀完全关 闭节流孔C，D，则加速控制器完全退出 工作。图中调整螺钉4及调整弹簧3可以 调整起始加速供油量。 油气比加速控制器 （1）控制规律 ① Wf/Pt3是表示油气比的参数，因 此它能决定涡轮进口温度Tt4。 ②用Wf/Pt3与nH的函数关系能够较 准确地表示压气机的喘振特性。
c)
d)
油门放大器 油门放大器如图所示，它由角形杠杆5，压力比阀3，小活 塞2，油门活塞8，弹簧7，节流嘴1，喷嘴挡板6和平衡喷 嘴挡板4等组成。 油门放大器是控制器的核心，完成顺馈通路与反馈回路的 信号综合，并根据综合后的信号控制执行元件－油门位置 ，即控制供往发动机的油量。
e) f)
转速选择凸轮杠杆结构 加速凸轮杠杆结构 加速凸轮9是一个凸轮轴套，空套在操纵轴11上，与油门操 纵杆无联系。加速凸轮由活塞8通过齿轮齿条传动，它的转 动角度与nH有关，加速凸轮通过杠杆机械带动滚轮限动钉 10沿轴向移动，使滚轮按加速凸轮型面给定的规律运动。 如图所示复合转速与加速控制系统结构简略。图中，①下 垂凸轮杠杆机构在稳态 转速控制中起作用； ②加速凸轮杠杆机构在 加速控制中起作用； 虚线框包围的部分为 控制器的计算装置部 分；框外为计量装置部分。
②计算装置 计算装置的功用是将测量的闭环转速反馈信针 位移m。 计算装置包括转速测量装置，Pt3测量装置，下垂凸出杠杆机 构，转速选择凸轮5与随动杆2、6、7，加速凸轮杠杆机构及 油门放大器等。 a) 转速测量装置 转速测量装置由飞重1 ，分油阀2，反馈弹簧3， 反馈杠杆4及活塞5等组 成，如图所示。飞重感受nH发生变化，如增大时，分油阀向上 移动，使活塞下腔放油，活塞向下移动。活塞移动时，带动反 馈杠杆，使反馈弹簧力增加，这又使分油阀逐渐往回移动。当 反馈弹簧力增至飞重的换算轴向力平衡时，分油阀回到零位， 使活塞上承受的液压力又恢复平衡活塞也就停止不动。
数字式电子加速控制器



采用数字式电子控制器的优点之一就是可以实现复杂的控制 规律，而且可以通过逻辑判断程序在不同的工作状态下采用 相应的控制规律。数字式电子加速控制器的硬件资源就是在 第6章中介绍的数字式电子控制器，不需要添加额外的硬件 。只是在加速时，由逻辑判断程序选择相应的加速控制算法 ，实现加速控制功能。由于采用数字式电子控制器，使得诸 如按相似参数的复杂控制规律实现最优加速控制成为可能。 下面以CFM56－5B发动机数字式电子控制器的燃油控制规 律说明加速控制规律是怎样实现的。 CFM56－5B发动机数字式电子控制器的燃油控制规律用于 计算燃油计量阀的供油指令信号。该指令信号送到燃油计量 装置，以产生合适的燃油流量控制发动机的风扇转速，从而 提供相应的推力。供油量的指令信号的计算取决于风扇转速 的指令信号、各种安全保护限制因素和相应的控制规律。