航空发动机控制基础

复合控制
指令机构 敏感元件
放大元件
执行元件
供油元件
发动机
敏感元件
思考题
闭环控制的原理是什么
民航发动机控制的内容
发动机控制内容有： 燃油流量控制 空气流量控制 涡轮间隙控制 冷却控制 其它系统控制 涡桨、涡轴发动机控制 超音速民航机控制
发动机控制的目的
稳态控制：保持既定发动机的稳定工作点 过渡控制：快速而又稳定可靠 极限控制：保证发动机的主要参数不超出安 全限制
敏感元件
f
放大元件 p 放大元件 m
放大元件 w
f
放大元件
n
开环控制: 反应及时，控制系统和被控对象（发动机） 同时感受外界所有的干扰量变化，控制装置 变化与发动机变化同步，稳定性好。 控制精度差 不能感受所有的干扰量 对发动机内部的变化无法感知
开环与闭环控制系统的比较 闭环系统引入了反馈，精度高，可以采用成 本较低，精度不太高的元件构成精度较高的 控制系统 开环系统没有纠正偏差的能力，当受到干扰 时，会引起系统精度降低，它的精度完全取 决于系统元器件的精度和调整的准确度
）
D l sin
柱塞泵的特性（Q,n,pin,pout,η)
1 供油量与转速关系
2 供油量调节特性 3 供油量 压差特性 4 汽隙特性 低压区产生气泡—高压区气泡挤压破灭 这种气泡生灭过程及伴随而来的液压撞击：汽隙现象
柱塞泵主要优点是供油量可以调节 为了减少柱塞头与斜盘表面的磨损，采用油膜支 撑和柱塞摆动头。
航空发动机对控制装置的基本要求
保证最有效的使用发动机，最大限度地发 挥其潜力 最大状态 巡航 慢车
航空发动机对控制装置的基本要求
保证动力装置稳定工作，控制精度高 有极强的抗干扰能力 调节的准确度要高
航空发动机对控制装置的基本要求
良好的动态品质 控制的动态过程要有较好的快速性，而且过 程要平稳
3 齿数对供油量的影响 标准齿轮节圆直径
d j mz
齿轮模数m：指相邻两轮齿同侧齿廓间的齿距t 与圆周率π的比值
Z: 齿数
Q 2b(d / z)n
2 j
4 齿宽对供油量的影响 供油量与齿宽b成正比 齿宽一般不超过10m
四 齿轮泵的供油量调节 齿轮泵是定量泵，工作容积可改变，当△p不 变时，流量Q与转速n成对应关系。
ymax y 100% ymax
内容
压力工作原理及应用
压力和压力比敏感元件 感受的是压力（压力差）和压力比变化 输入信号 Δp 输出信号 机械位移Δy或者晶体振荡f
压力敏感元件由感受器和信号转换器两部分组 成 感受器：静压管 总压管 信号转换器：活门 (刚性元件) 薄膜 (弹性元件)
一、薄膜
薄膜的调节准确度低 薄膜的准确度
第三章 燃油泵
内容
齿轮泵的工作原理 油泵供油量的调节特性
供油元件：燃油泵
油泵：是一种将机械能转化为液压能的机械。
根据用途分类： 燃油泵 滑油泵 液压泵 供应带压力的燃油（航空煤油） 供应滑油以及其他特殊需要的 液体（水） 为液压系统提供动力油
根据供油原理分类： 容积式泵 ： 抽吸元件作相对运动，改变元件间的自由容积， 进行吸油和挤油。供油量的大小取决于一次循 环中自由溶积的变化大小。压力的大小理论上 与供油量无关。 柱塞泵、齿轮泵、旋板泵 叶轮式泵： 叶轮做旋转运动，增加液体的动能和压力能 ， 在叶轮后的扩压器中，再将动能转化为压力位能。 离心泵、螺旋泵、汽心泵等 根据供油元件一次循环索提供的油量是否变化， 分为：定量泵和变量泵
转速传感器的工作原理和应用 元件的自稳性
对发动机的准确控制，首先要准确的测量影响 发动机性能的各种信息 例如：高度、速度、温度、压力、转速、流量等
传感器：将被测的某一物理量（信号）按一定 的规律转换成与其对应的另一种（或同种）物 理量（信号）输出的装置 非电物理量——电量信号 包含：敏感元件和转换元件 完成信息测量和转换作用的元件叫敏感元件或 测量元件
保证发动机的安全工作。 不熄火、不超温、不超载、不喘振、不超转 防止压气机的喘振(VBV variable bleed valve、 VSV variable stator vane) 提高发动机的性能（涡轮间隙控制TCC）
早期： 单变量控制——基本的安全考虑 发展： 多变量监控——以安全为主兼顾性能 成熟 全权限监控——以安全为主兼顾性能和经济性 未来 全权限数字电子控制——以安全为主兼顾性能、经济性和 环保性
CFM56 FADEC系统的功能
航空动力装置控制包括： 进气道控制、发动机[核心机]控制、排气装 置控制
航空发动机控制基础 aircraft engine control 根据自动控制原理运用机械、液压、气压、 电气等控制装置使航空发动机自动地按预定 规律工作，以便发动机在各种飞行条件下能 安全工作并获得最佳的或接近最佳的性能。 涉及的内容控制理论、发动机原理、气体 动力学、工程热力学、机械、液压、电子、 计算机等各方面的知识。
稳态控制
目的：为了获得所需要的推力和功率 转速控制 压力比控制 慢车控制 反推力控制 加力控制 进气道控制
被控参数和可控变量
表征发动机推力的量 N1 EPR Wf 燃油流量 Ae 喷管出口面积
控制方案（调节规律或调节计划） 根据外界干扰（飞行高度和速度的变化）和 驾驶员的指令来改变可控变量，以保证发动 机被控参数不变或者按预定的规律变化，从 而达到控制发动机推力的目的。 不带加力的单转子涡喷发动机 Wf n 双、三转子的涡喷和涡扇发动机 Wf nH Wf EPR Wf π c*
航空发动机控制基础
航空工程学院
航空发动机（燃气涡轮发动机）推力 工作原理
进气道 压气机 燃烧室 涡轮 喷管
飞机在不同的飞行阶段，需要不同的推力 起飞、爬升、巡航、下降、进近、着陆、复飞 此外，飞行条件也在不断变化。
控制发动机的推力或功率输出以满足飞机的需 要。 燃油系统将清洁的、无蒸汽的、经过增压的、 计量好的燃油输送给燃烧室。 燃油量的多少要由燃油控制器给出
对测量元件的要求： 灵敏性好 迟滞性小 准确性好 抗干扰性强
转速
一 机械离心式
输入量 n 输出量 y
特性分析 1 元件的灵敏度（n---y) 低灵敏区 可用工作区
临界转速ncr
2 元件的不灵敏区 不灵敏区（迟滞区） 转速改变，导杆不移动 迟滞系数
n2 n1 n n0
控制作用量：能改变给定值大小的作用量 调准和调准机构：改变控制作用量的过程及其 机构 过渡过程和平衡稳定过程 结构简图
r
控制系统的基本控制方式： 开环控制 闭环控制 闭环控制特点：在控制器输入量和被控对象之 间，不仅存在正向作用，而且存在反馈作用 反馈是将输出返回到输入量的入口 结构简图 f
放大元件 p 执行元件
（2） 高压泵，结构复杂，价格贵，使用环境要求高。 （3） 柱塞数通常为7、9、11个，单数，减小脉动。 （4） 排量取决于泵的斜盘倾角γ。
2 增加转速 会增加零部件的磨损、影响寿命，还会使油液的填充 恶化。
n 3000 ~ 5000
3 斜盘角度r r<16。 斜盘工作面常采用锥形或圆形面 4 柱塞安装角ө（ 13。—15。
柱塞泵 容积式 齿轮泵（定量） 旋板泵 航空发动机油泵
离心泵 叶轮式 螺旋泵（定量）
汽心泵（变量）
目前用的最多的是： 轴向倾斜式柱塞泵和渐开线直齿外啮合齿轮泵 航空发动机对齿轮泵的要求： 重量小；在额定共有压力范围内，有较高的 效率；结构简单，安全可靠，寿命长；抵抗污 染能力强；适应环境能力强；在转速不变的 情况下，可以方便、合理的大范围调节供油 量等。
m 供油元件 w
f
发动机
n
y
敏感元件
闭环控制：
控制比较精确，在现代飞机上被广泛使用 反应不够及时，被控参数发生偏离，才开 始动作，干扰量连续变化，系统工作不稳定 偏离原理控制
开环控制：
开环系统是一种最简单的控制方式，特点是 在控制器和被控对象之间只有正向作用，而 没有反馈，即系统的输出量对控制量没有影 响。
供油量的调节不能靠泵内部的调节，可以通过 以下方法调节供油量。
3 旁路回路调节
旁路调节是定量泵调节供油的唯一方法，但是会 引起温升，对于高性能的发动机节流比较大， 必须采用变量泵。
柱塞泵
工作原理图
吸油过程：柱塞伸出→ΔV↑→p↓→吸油； 压油过程：柱塞缩回→ΔV↓→p↑→压油
柱塞泵
出口压力受到流动阻力的限制，低转速下仍然可以获 得较高的压力。 柱塞泵特点： （1） 柱塞和转子配合间隙容易控制，密封性好，容 积斜率高0.93-0.95。
航空发动机对控制装置的基本要求
可靠性高，维护性好 采用分布式结构降低控制系统的复杂性 将控制器安装在远离发动机的区域 采用砷化镓和碳化硅制造电子元器件 提高系统的耐高温、抗振动和抗电磁干扰的能 力
航空发动机对控制装置的基本要求
可更改性好，满足先进发动机对控制不 断增加的要求
航空发动机对控制装置的基本要求
结构简单、重量轻、体积小、安装方便
第二章 民航发动机的控制
内容
自动控制的基本概念 民航发动机控制的内容
自动控制的基本概念
被控对象:发动机 控制装置：转速控制器（虚线内部分） 控制系统：被控对象＋控制装置 被控参数：转速 可控变量：用来改变被控参数大小的因素 干扰作用量：作用在被控对象/控制装置上， 能够引起被控参数变化的外部作用量 给定值：驾驶员的指令值
4 动态特性 元件在过渡过程中的特性。 最好的情况是:转速或弹簧力发生突变时，导杆 迅速而且没有震荡的达到新的平衡点。 导杆和飞重块质量都很小，弹簧刚度比较大。 这样可以忽略掉惯性力和阻尼力的影响。
5 结构 为了提高灵敏度，应设法减少摩擦力 飞重支承上安装滚珠轴承或摆动销
使分油活门与飞重一起旋转，将静摩擦变为动
第三章 燃油泵
内容
离心泵的工作原理 各类油泵供油量的调节特性
离心泵 优点： 转速高，供油量大 供油稳定，无脉动 运动部件少，结构简单，比重量小 抗燃油污染性好，寿命高 缺点： 效率低，低转速时压力低 对抗气蚀性能要求高 调节性能差（低转速）
第四章 传感器
内容
3 元件的自稳定性 转速不变，调准弹簧力不变，元件保持给定位 置的一种能力。
轴向换算力 n1<n2<n3 低转速A 具有稳定性 高转速B 不具有稳定性
弹簧力
这种转速传感元件 在低转速区敏感性不好，稳定性好 在高转速区敏感性好，但稳定性差 只能在某一转速范围内使用，可以采取恰当的飞 重参数扩大工作范围。
过渡控制
目的：过渡过程能迅速、稳定、可靠的进行 启动控制 加速控制 减速控制 压气机防喘控制 加力接通及关闭控制等
压气机控制 在启动、加速和减速过程中保证压气机稳定工作，不发生 喘振 控制方案（程序控制） 1 按转速n的压气机控制。 2 按压比进行控制 3 按n2和压气机进口温度控制VBV、VSV 4 按相似转速控制 5 按照n1、n2、大气总温、进口温度、环境压力、飞行马赫数、 推力杆角度等进行逻辑控制。 FADEC
安全限制 超转限制 超温限制 超压限制 超功率限制
民航发动机的控制类型 机械液压式控制 JT8D JT9D-7J PT6T 监控型电子式控制 JT9D-7R4 CFM56-3 RB211-535E4 全权限数字电子控制 PW4000 V2500 CFM56-5 Trent GE90
摩擦。
将元件浸在油中，使干摩擦变为湿摩擦。
为了减少振荡的影响，飞重浸在油中旋转。 温度会对灵敏度产生影响。 1 飞重比重大，体积小 2 采取温度补偿装置
二 脉冲式转速传感器 变磁阻式转速敏感元件
E g 4.44Zs f10
Baidu Nhomakorabea
8
遮断射流式转速敏感元件
气动式转速敏感元件
第四章 传感器(2)
3.2 齿轮泵
影响供油量的因素 1 泄漏损失 由间隙、压差、温度引起 径向间隙和轴向间隙 充填损失 吸油腔压力过低、无效容积的影响和泵转速过高 2 转速对供油量的影响 高转速可以提高供油量，但是提高有限度。 目前油泵转速在5000转/分以下，要求齿顶的切 线速度Vmax<10米/秒
601000 Vmax nmax De