航发(机械燃油调节器)控制原理

e) 转速选择凸轮杠杆结构 f) 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。
❖ 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。
（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。
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。
（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。
（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。
起动控制
发动机起动一般分为地面起动或空中起动两大类。地面起动 是指发动机从地面静止状态安全可靠地加速到慢车状态的过程 ，在这一阶段要确保发动机不超温、不超转，且起动时间尽可 能短；空中起动是指发动机空中熄火失去动力后重新点火、加 速到慢车状态的过程，按控制方式分类，空中起动又可细分为 空中自动起动、空中遭遇起动和空中手动起动。
（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。
为了保证通过油门的燃油流量与控制规律要求的燃油流量一 致，计算装置必须按控制规律确定的燃油流量输出相应的油 门油针位移m。
②计算装置 计算装置的功用是将测量的闭环转速反馈信号Pt3和开环通路 补偿信号nH ，按控制规律要求综合后，输出相应的油门油针 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。
为作用于滚轮上的力F，F与Pt3成正比 。
c) 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）。
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。
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。
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。
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。
压差控制器的功用是保持油门前后压差△p恒定。当把油门看 作控制对象， △p看作被控参数时，油门与压差控制器构成 一个小闭环系统。测量元件由薄膜、压差调整弹簧及杠杆组 成，喷嘴挡板与活塞为放大元件，回油阀为执行元件。
压差控制器的工作原理如下：当通过油门的燃油流量增大时 ，油门前后压差增大，薄膜感受压差的这一变化，推动杠杆 ，使喷嘴挡板开度h增大，活塞腔压力Px减小，活塞右移弹 簧力减小，使回油阀右移，回油孔a的开度增大，回油量增 加，通过油门的流量减小，压差逐渐恢复；当通过油门的燃 油流量减小时，调节过程相反。控制器采用齿轮泵供油，因 此，供油量是用改变回油量的方法进行调节。
❖ 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。
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。
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。
最佳加速供油量曲线
当发动机加速时，加速供油量达到相应转速下允许的极限供 油量，即紧挨Tt4max和压气机喘振边界，通常称这条极限供 油量曲线为最佳加速供油量曲线。之所以将这条曲线称为最 佳加速供油量曲线，是因为按这条供油量曲线进行加速时， 加速时间Tac最小。这条曲线形状特殊，初始有一阶跃，接 着曲线供油量大小与斜率随发动机转速n大小而变。这条曲 线也随飞行条件变化而变化，从理论上不易确定，一般用试 验方法确定。
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)
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。
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。
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。
为了保证发动机具有良好的加速性，应该控制发动机的剩余
供油量，使加速供油量按照最佳加速供油曲线变化，或者尽 量接近它。因此，对于机械液压式燃油控制系统一般都设有 专门的加速装置，而数字式电子控制系统则通过一定的控制 算法和判断逻辑实现加速控制。
❖ 加速控制规律 目前，经常采用的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 。
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。
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。
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。
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