CN112684718B - 一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置，包括背压阀、背压阀位置控制器、背压控制器以及背压换算模块；背压换算模块根据航空发动机实时模型计算出的燃烧室压力，换算出燃油调节器背压，作为背压控制器指令；背压控制器结合压力传感器采集到的燃油调节器出口油压计算出背压阀指令位置/开度；背压阀位置控制器根据该指令位置及PLCD传感器采集到的背压阀实际位置计算出电机驱动信号，调节背压阀开度，进而调节燃油调节器出口油压。实现燃油调节器真实工作环境的模拟，提高了航空发动机燃油控制的仿真置信度，可以应用于航空发动机控制系统设计开发、航空发动机燃油调节器设计开发、航空发动机特性分析、航空发动机试验等领域。

Description

一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置

技术领域

本发明涉及一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置，属于航空发动机试验技术领域。

背景技术

燃油调节器是航空发动机控制系统最重要的执行机构，其根据飞行需求、飞行环境和其他相关因素来调节流向燃烧室的燃油流量，其性能对发动机控制系统及发动机整体性能有着极其重要的影响。因此，在开展航空发动机控制系统设计及任何其它相关设计的半物理仿真试验时，都有必要将燃油调节器特性考虑进去，以验证燃油流量控制的准确性。

在航空发动机实际燃油系统中，燃油经由燃油调节器输出，再经过燃油分配器及喷嘴进入燃烧室。因此，燃油调节器的背压等于喷嘴的背压(即发动机压气机出口压力或燃烧室压力)加上燃油分配器及喷嘴的压降。然而，对于可能处在飞行包线任何位置的飞机发动机而言，工作状态在不断发生变化，包括喷嘴的背压。而根据相关研究，燃油调节器输出的燃油量与其背压密切相关，即使在具有相同计量活门开度和等压差活门的前提下，调节效果也因背压不同而有所改变。然而在目前的航空发动机燃油控制半物理仿真实验中，燃油调节器出口油压完全不受控，这显然不符合其实际工作情形，将导致发动机燃油控制设计得不到准确、真实的验证，因此，亟待将燃油调节器背压模拟纳入考虑，为燃油调节器创造一个真实的工作环境。

授权号为CN101923359B的专利公开了一种用于航空发动机半物理模拟实验中的可变容腔气体压力快速稳定装置，其特点是能够快速稳定地将发动机数学模型输出的压力数字信号转换为真实的空气压力，为传感器提供真实的实验环境，提高半物理模拟的逼真度。该专利以计算机设定目标压力，通过PWM控制器控制电液伺服阀的阀门开度，结合压力传感器的反馈实现对可变容腔内气体压力的闭环控制，该发明虽可模拟发动机燃烧室的气压环境，但对于燃油调节器半物理仿真来说，需要配合燃油分配器、喷嘴等使用，且配套试验设备复杂，成本高昂。授权号为CN101571090B的专利公开了一种柴油机喷油规律的测量装置及测量方法，该装置利用背压截止阀进行背压调节，以准确模拟燃油喷射的环境背压，具体过程为缓慢开启背压截止阀使得压力容器内部燃油释放至集油器中，监测压力表的测量显示，直至压力容器内部压力与设定的背压值相等，关闭背压截止阀。该方法需要依靠监测压力表判断容器内部压力等于设定背压值，且不具备自动背压调节的功能，无法用于航空发动机控制系统实时仿真试验中。

发明内容

本发明提出的是一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置，其目的在于克服现有技术中存在的不足，实现了燃油调节器真实工作环境的模拟，提高了航空发动机燃油控制的仿真置信度，可以应用于航空发动机控制系统设计开发、航空发动机燃油调节器设计开发、航空发动机特性分析、航空发动机试验等领域。

本发明的技术解决方案：

一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置，包括：背压阀、背压阀位置控制器、背压控制器以及背压换算模块；其中，背压阀位置控制器与背压阀阀杆相连接，控制背压阀开度；所述背压换算模块、背压控制器、背压阀位置控制器依次串联：所述背压换算模块的信号输入端连接航空发动机实时模型，获取燃烧室压力数据信号，得到燃油调节器背压指令；所述背压换算模块的信号输出端连接背压控制器的信号输入端连接，传输燃油调节器背压指令；背压控制器的信号输出端连接背压阀位置控制器信号输入端，传输阀门位置指令。

所述背压换算模块得到燃油调节器背压指令，具体步骤如下：

燃油调节器计量燃油经燃油分配阀和喷嘴进入燃烧室，其流量为：

其中，将燃油分配阀和喷嘴视为等效节流阀；μ_eq和A_eq分别表示该等效节流阀的流量系数和开口面积，p₃和p_b分别代表燃油调节器背压和燃烧室压力。

由公式(1)，可以得到燃油调节器背压和喷嘴背压压差Δp：

假设燃油分配阀和喷嘴工作于某稳态设计点D，并令：

则式(2)中压差Δp就可以通过下式近似得到：

Δp＝α·β·Q_fm ² (4)

其中，β为补偿因子，用以补偿采用等效节流阀代替燃油分配阀和喷嘴带来的误差。由此可以得到燃油调节器背压：

p₃＝α·β·Q_fm ²+p_b。 (5)

随着Q_fm的增加，燃油分配器阀芯开大，将导致等效节流阀参数μ_eqA_eq的增加，因此，β将随着Q_fm的增加而减小，β的数值可以通过仿真、试验或如下经验公式得到：

其中，m为常量，可根据实际情况调整，在1/12到1/2区间内；在稳态点D下，β＝1。

进一步地，所述燃油调节器的出口设有压力传感器，测量燃油调节器的实际出口油压；压力传感器的信号输出端连接所述背压控制器。所述背压控制器根据背压换算模块输出的燃油调节器背压指令及燃油调节器当前的计量活门开度，从前馈插值表里读出理论背压阀指令位置，再结合压力传感器反馈的燃油调节器的实际出口油压进行闭环控制，采用基于误差的控制算法，进一步调整背压阀的位置指令。

进一步地，所述背压阀位置控制器包括电机、位移传感器以及通信计算模块。电机固定于阀门调节处的管路上；位移传感器设于背压阀阀杆上，测量背压阀的位置信息；通信计算模块信号输入端分别连接背压控制器以及位移传感器的信号输出端，通信计算模块信号输出端连接电机；通信计算模块根据背压控制器输出的背压阀指令位置，以及位移传感器反馈的背压阀实际位置信号，采用基于误差的闭环控制算法计算出电机驱动信号，并对背压阀的位置/开度进行调节，进而实现对燃油调节器背压的调节。

进一步地，所述位移传感器采用永磁线性非接触式位移传感器，即PLCD传感器，采用磁感应技术，通过检测依附在上述背压调节阀中节流阀门上的磁性物质的位移，获取阀门当前位置信号。

本发明中，背压阀通过轴向进动调节阀门开度，进而实现对燃油调节器背压的调节，工作原理如下：

其中，bpmv代表背压模拟阀相关参数，p₀代表低压油压力，为定值。可见，当流量不变时，通过调节阀门开度A_bpmv，即可调节燃油调节器背压p₃。

本发明的有益效果：对燃油调节器背压进行实时调节，充分考虑了发动机控制过程中计量燃油从燃油调节器到燃烧室的中间过程，可以模拟燃油调节器真实工作环境，使发动机燃油控制更为准确、真实，极大提高了仿真的置信度。

附图说明

附图1是一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置的结构示意图。

附图2是电机与背压阀连接示意图。

附图3是背压调节阀位置随燃油调节器背压及计量活门开度插值表。

附图4是一定计量活门开度下的背压调节能力试验图。

附图5是一定计量活门开度下计量燃油受背压变化影响图。

附图6是发动机转速闭环控制试验下的背压模拟试验图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案做进一步解释说明。

对照附图1，一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置，包括：背压换算模块、背压控制器、背压阀位置控制器、电机、背压阀、PLCD传感器、压力传感器。背压换算模块连接航空发动机实时模型，获取燃烧室压力数据信号，换算得到燃油调节器背压指令，传输到所述背压控制器，背压控制器的信号输出端连接背压阀位置控制器信号输入端，传输转化后的阀门位置指令。PLCD传感器探测背压阀的实际位置，辅助背压阀位置控制器修正阀门位置指令；压力传感器设置在燃油调节器出口，探测实际燃油压力，充分考虑了发动机控制过程中计量燃油从燃油调节器到燃烧室的中间过程，根据发动机实时模型输出的燃烧室压力和中间过程的压降计算出燃油调节器的实时背压，以及压力传感器反馈的燃油调节器的实际出口油压，采用基于误差的控制算法，进一步调整背压阀的指令位置。

背压阀采用普通节流阀，步进电机与节流阀之间的连接如图2所示；其中，步进电机固定安装在阀门调节处的管路上，为固定件，而背压阀开度的调节是通过阀杆位移完成，为移动件，固定件与移动件之间通过槽孔连接。PLCD传感器采用磁感应原理测量背压阀位移，背压阀阀杆上嵌套了周向均匀的磁环，保证阀杆在转动过程中不存在磁场的转动，只存在磁场的前后平移，确保了背压阀位置的非接触准确测量。

实施例1

背压换算模块运行于NI PXI工控机中，通过航空发动机实时模型计算出来的燃烧室压力，以及燃烧室压力与燃油调节器背压的关系式，实现对燃油调节器背压的计算。在本实施实例中发动机模型为某双轴涡扇发动机部件级模型，所述发动机燃烧室压力与燃油调节器背压的关系式建立在稳态工作点Q_fm,D＝30.728L/min，Δp_,D＝7.74bar上，求出α＝8.216×10^-3，选择m＝1/8，即可得到两者对应关系。

背压控制器运行于NI PXI工控机中，通过事先标定的前馈插值表，获取一定燃油调节器背压下理论背压模拟阀位置，并通过PI控制器进一步修正，输出位置控制指令。所述前馈插值表节选如图3所示，其中标题行为燃油调节器计量活门开度，标题列为燃油调节器背压，表格主体代表不同计量活门开度下，达到指定燃油调节器背压，背压阀阀杆所需移动到的位置，为表示方便，此处用阀杆转过的角度表示，注意，0°对应于背压调节阀的最小开度。

背压阀位置控制器运行于NI PXI工控机中，采用PI控制计算电机控制指令。

电机采用步进电机，本实施实例中，要求电机在1s内将阀门从全开调节到全关，行程为5mm，并且需要克服最大为1.5N.m的阀门扭矩，基于此，选定步进电机具有每秒10万步的响应，能产生的最大扭矩为6N.m，细分数为800脉冲/转，可实现快速高精度的位置调节。

永磁线性非接触式位移传感器用于测量上述背压阀的位置，本实施实例中，要求该传感器具有0.005mm的精度及较好的单调性，基于此，所选PLCD传感器具有1/1024的分辨率，线性度误差不超过1％。该传感器通过检测依附在背压阀上的磁环的位移，实现阀门位置的测量，磁环位置如图2所示。

压力传感器用于测量燃油调节器出口油压，本例中，要求压力传感器具有0.05bar的分辨率和较小的延迟，基于此，所选压力传感器的具有0.025bar的分辨率，响应时间小于1ms，满足精度和时延要求。

半物理仿真试验：

在一定燃油调节器计量活门开度下，对本实施例的系统背压调节能力进行仿真，燃油调节器对供往发动机燃烧室的燃油流量进行计量，主要由计量活门、等压差活门、回油活门及增压关断活门构成；当计量活门前后压差维持不变，则计量燃油仅随计量活门开口面积变化，而等压差活门则是保持计量活门前后压差恒定的关键部件；回油活门负责将多余的燃油送回到齿轮泵前；增压关断活门负责增加供油压力并在必要时切断燃油供给。

具体数据图如图4-5所示，燃油调节器背压能快速且精确地跟踪背压指令，延时不超过300ms，总调节时间在1s左右，稳态误差在0.5bar以内。同时图5可以看到，即便燃油调节器计量活门保持不变，计量燃油仍随背压的增加而有所减小，而这是由于燃油调节器等压差活门并不能保持计量活门前后压差恒定引起的，这也印证了本发明的必要性。随后在发动机转速闭环控制中开展燃油调节器背压模拟研究，将发动机转速从慢车状态调节至中间状态，背压模拟结果如图6，可以看到，本发明成功对实际发动机控制过程中的背压进行了模拟，提高了仿真的置信度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置，其特征在于包括背压阀、背压阀位置控制器、背压控制器以及背压换算模块；其中，背压阀位置控制器与背压阀阀杆相连接，控制背压阀开度；所述背压换算模块、背压控制器、背压阀位置控制器依次串联：所述背压换算模块的信号输入端连接航空发动机实时模型，获取燃烧室压力数据信号，得到燃油调节器背压指令；所述背压换算模块的信号输出端连接背压控制器的信号输入端连接，传输燃油调节器背压指令；背压控制器的信号输出端连接背压阀位置控制器信号输入端，传输阀门位置指令；

所述背压换算模块得到燃油调节器背压指令，具体包括以下步骤：

燃油调节器计量燃油经燃油分配阀和喷嘴进入燃烧室，其流量为：

其中，将燃油分配阀和喷嘴视为等效节流阀；μ_eq和A_eq分别表示该等效节流阀的流量系数和开口面积，p₃和p_b分别代表燃油调节器背压和燃烧室压力；

由公式(1)，可以得到燃油调节器背压和喷嘴背压压差△p：

假设燃油分配阀和喷嘴工作于某稳态设计点D，并令：

则式(2)中压差△p就可以通过下式近似得到：

△p＝α·β·Q_fm ² (4)

其中，β为补偿因子，用以补偿采用等效节流阀代替燃油分配阀和喷嘴带来的误差，由此可以得到燃油调节器背压：

p₃＝α·β·Q_fm ²+p_b (5)。

2.根据权利要求1所述的一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置，其特征是所述补偿因子β的数值通过仿真、试验或如下经验公式得到：

其中，m为常量，根据实际情况调整，区间为[1/12，1/2]。

3.根据权利要求1所述的一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置，其特征是所述燃油调节器的出口设有压力传感器，压力传感器的信号输出端连接所述背压控制器；所述背压控制器根据背压换算模块输出的燃油调节器背压指令及燃油调节器当前的计量活门开度，从前馈插值表里读出背压阀指令位置，再结合压力传感器反馈的燃油调节器的实际出口油压进行闭环控制，进一步调整背压阀的位置指令。

4.根据权利要求1所述的一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置，其特征是所述背压阀位置控制器包括电机、位移传感器、通信计算模块；电机固定于阀门调节处的管路上；位移传感器设于背压阀阀杆上，测量背压阀的位置信息；通信计算模块信号输入端分别连接背压控制器以及位移传感器的信号输出端，通信计算模块信号输出端连接电机；通信计算模块根据背压控制器输出的背压阀指令位置，以及位移传感器反馈的背压阀实际位置信号，采用基于误差的闭环控制算法计算出电机驱动信号，并对背压阀的位置/开度进行调节，进而实现对燃油调节器背压的调节。

5.根据权利要求4所述的一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置，其特征是所述电机为步进电机，能产生的最大扭矩为6N.m，具有每秒10万步的响应，细分数为800脉冲/转，可实现快速高精度的位置调节。

6.根据权利要求4所述的一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置，其特征是所述位移传感器采用永磁线性非接触式位移传感器，即PLCD传感器；通过检测依附在背压阀阀杆上的磁性物质的位移，获取阀门当前位置信号。

7.根据权利要求6所述的一种航空发动机燃油调节器背压模拟装置，其特征是所述背压阀阀杆上嵌套了周向均匀的磁环，保证阀杆在转动过程中不存在磁场的转动，只存在磁场的前后平移，确保了背压阀位置的非接触准确测量。

Images