CN205003469U - 一种燃烧室反压模拟装置及半物理试验器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃烧室反压模拟装置及半物理试验器，燃烧室反压模拟装置用于模拟发动机燃油供应时燃烧室内的气压，反压模拟装置中设有气体供应支路(A)，还包括：气压调节部件、燃油调节部件和控制部件(4)，气压调节部件设置在气体供应支路(A)中，控制部件(4)用于根据燃烧室内的实时气压值，控制气压调节部件调整气体供应支路(A)的供气量；燃油调节部件设置在进口燃油和出口燃油之间的油路上，用于在气压调节部件的控制下调整供油状态。此种燃烧室反压模拟装置能够根据发动机的实际工况模拟燃烧室内的反压，从而实现对被试油路中燃油压力进行动态控制。

Description

一种燃烧室反压模拟装置及半物理试验器

技术领域

本实用新型涉及试验器技术领域，优选为航空发动机的半物理试验器，尤其涉及一种燃烧室反压模拟装置及半物理试验器。

背景技术

现代航空发动机已由传统的机械液压控制发展到全权限数字电子控制(FADEC，全称FullAuthorityDigitalEngineControl)，即通过电子控制器在飞机全包线内全权限地完成发动机本体的控制功能和与飞机协同工作的任务。其主要由电子控制器、发动机监视装置、燃油部件、作动部件、FADEC交流发电机、传感器以及电缆等组成。

其中，控制系统半物理仿真试验是以控制系统(含燃油控制、健康管理、起动和点火系统)为实际对象，通过物理效应模拟设备为其提供真实工作环境的模拟，以对控制系统软硬件集成后的功能、性能、接口、故障容错以及耐久性等方面进行验证。控制系统半物理仿真试验主要依托半物理仿真试验器开展。

半物理试验器采用物理效应模拟试验技术模拟真实发动机，为控制系统试验对象提供真实的工作环境，从而更加有效的对其功能和性能进行验证，以减少整机试车时的风险。由于发动机在实际运行过程中，燃烧室内的压强是变化的，即喷嘴后的压强是变化的，会在一定范围内波动，特别是在发动机起动、加减速以及停车时，燃烧室内的压强会远离额定值，此时对发动机燃烧室内的反压进行模拟是非常必要的。

目前，半物理试验器大多采用当量喷嘴，在试验前校正喷嘴的压差和流量偏差，只能模拟特定的压力工况，而不能模拟燃烧室内的反压，因而也就无法充分验证航空发动机燃油控制系统中燃油泵与燃油分配器的性能，这可能会使得发动机在台架试车时，燃油喷嘴无法喷出燃油，从而导致试车过程存在一定的风险。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种燃烧室反压模拟装置及半物理试验器，能够根据发动机的实际工况模拟燃烧室内的反压，从而实现对被试油路中燃油压力进行动态控制。

为实现上述目的，本实用新型一方面提供了一种燃烧室反压模拟装置，用于模拟发动机燃油供应时燃烧室内的气压，所述反压模拟装置中设有气体供应支路A，还包括：气压调节部件、燃油调节部件和控制部件4，所述气压调节部件设置在所述气体供应支路A中，

所述控制部件4用于根据燃烧室内的实时气压值，控制所述气压调节部件调整所述气体供应支路A的供气量；

所述燃油调节部件设置在进口燃油和出口燃油之间的油路上，用于在所述气压调节部件的控制下调整供油状态。

进一步地，所述燃油调节部件为反压阀12，所述气体供应支路A设置在气源站5和所述反压阀12的控制端之间，所述气体供应支路A在所述气源站5和所述气压调节部件之间设有用于通断支路的高压球阀6、用于初步调节气压的调压阀7和压力表8。

进一步地，所述气体供应支路A在所述气源站5和所述气压调节部件之间还设有空压机，用于在所述气源站5提供的压力不足时进行增压。

进一步地，所述气压调节部件为电气比例阀9，所述电气比例阀9的控制端与所述控制部件4连接，用于根据所述控制部件4发出的控制信号调整所述气体供应支路A的供气量。

进一步地，还包括气压反馈支路和油压反馈支路，所述气压反馈支路和油压反馈支路中分别设有第一压力变送器10和第二压力变送器11，所述气压反馈支路用于将所述电气比例阀9出口端的气压反馈给所述控制部件4以进行反馈控制，所述油压反馈支路用于将所述反压阀12出口端的油压反馈给所述控制部件4以进行反馈控制。

进一步地，还包括指令运行部件，所述指令运行部件与所述控制部件4连接，能够运行发动机实时模型，得出燃烧室内的当前气压并作为反压模拟设定值发送给所述控制部件4。

进一步地，所述指令运行部件包括：工控机2和试验器设备管理系统3，所述工控机2和所述试验器设备管理系统3之间通过工业总线连接并通信，所述试验器设备管理系统3和所述控制部件4通过硬线连接并通信。

进一步地，所述反压阀12采用减压阀、节流阀或调速阀。

为实现上述目的，本实用新型另一方面提供了一种半物理试验器，包括上述实施例所述的燃烧室反压模拟装置。

基于上述技术方案，本实用新型实施例的燃烧室反压模拟装置，其中控制部件能够根据发动机燃烧室内的实时气压值，来控制气压调节部件调整气体供应支路的供气量，进一步控制燃油调节部件调整供油状态，从而能够根据发动机的实际工况模拟燃烧室内的反压，进而实现对被试油路中燃油压力进行动态控制，这样就能充分地验证发动机中燃油泵和燃油分配器的性能，尽量降低发动机在台架试车时燃油无法从喷嘴中喷出的风险。

当该燃烧室反压模拟装置优选地用于航空发动机的半物理试验器时，能够较为准确地模拟航空发动机实际工作时燃烧室内的压强变化，从而使FADEC控制系统在半物理试验台上得到更加充分的验证，确保发动机控制系统的正确性和可靠性，从而有效地降低整机试车的风险，最终能够有效的缩短发动机控制系统的研发周期，降低控制系统的研制费用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型燃烧室反压模拟装置的一个实施例的结构原理示意图；

图2为本实用新型燃烧室反压模拟装置的一个实施例的控制原理方框图。

附图标记说明

1－计算机；2－工控机；3－试验器设备管理系统；4－控制部件；5－气源站；6－高压球阀；7－调压阀；8－压力表；9－电气比例阀；10－第一压力变送器；11－第二压力变送器；12－反压阀。

具体实施方式

以下详细说明本实用新型。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征。

本实用新型中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

在发动机实际运行中燃烧室会存在反压，反压会提升控制系统中燃油部件及油路中的压力，为了更加真实地模拟燃油部件的实际工况，在半物理仿真阶段增加燃烧室反压模拟装置是非常必要的，这样可以充分地验证发动机中燃油泵和燃油分配器的性能，以降低后续试验的风险。

为了上述需求，本实用新型提供了一种燃烧室反压模拟装置，用于模拟发动机燃油供应时燃烧室内的气压，其结构原理如图1所示，反压模拟装置中设有气体供应支路A，还包括：气压调节部件、燃油调节部件和控制部件4，气压调节部件设置在气体供应支路A中，控制部件4用于根据燃烧室内的实时气压值，控制气压调节部件调整气体供应支路A的供气量；燃油调节部件设置在进口燃油和出口燃油之间的油路上，用于在气压调节部件的控制下调整供油状态。

其中，燃烧室内的实时气压值可以根据发动机的数字模型实时计算得到，并作为控制部件4的控制输入量，以便控制部件4根据这一变化的输入量对被试油路的出口压力进行动态控制。这种燃烧室反压模拟装置的核心思想是通过气压来改变燃油供油油路的阻力来模拟燃烧室反压对喷嘴燃油供油的影响。

本实用新型实施例的燃烧室反压模拟装置，控制部件能够根据发动机燃烧室内的实时气压值，来控制气压调节部件调整气体供应支路的供气量，进一步控制燃油调节部件调整供油状态，从而能够根据发动机的实际工况模拟燃烧室内的反压，进而实现对被试油路中燃油压力进行动态控制，这样就能充分地验证发动机中燃油泵和燃油分配器的性能，尽量降低发动机在台架试车时燃油无法从喷嘴中喷出的风险。

在一个具体的实施例中，如图1所示，燃油调节部件为反压阀12，气体供应支路A设置在气源站5和反压阀12的控制端之间，气体供应支路A在气源站5和气压调节部件之间设有用于通断支路的高压球阀6、用于初步调节气压的调压阀7和压力表8。调压阀7的作用相当于减压阀，它可以由人工调节或者在控制部件4的控制下将气源站5提供的气体大致维持在需求的压力，压力表8设在调压阀7的出口，操作人员也可以通过压力表8观察减压后的气体压力。优选地，反压阀12采用减压阀、节流阀或调速阀等能够对介质的流通量进行调整的阀类。

进一步地，气体供应支路A在气源站5和气压调节部件之间还设有空压机，也可以选择增压泵，用于在气源站5提供的压力不足时进行增压。

更具体地，上面提到的气压调节部件为电气比例阀9，电气比例阀9的控制端与控制部件4连接，用于根据控制部件4发出的控制信号调整气体供应支路A的供气量。

为了提高控制部件4对电气比例阀9的控制精度，进而提高对反压阀12的控制精度，在另一个实施例中，参见图1，还设置了信号反馈支路，信号反馈支路包括气压反馈支路和油压反馈支路，气压反馈支路和油压反馈支路中分别设有第一压力变送器10和第二压力变送器11，气压反馈支路用于将出口端的气压反馈给控制部件4以进行反馈控制，油压反馈支路用于将反压阀12出口端的油压反馈给控制部件4以进行反馈控制。现场的信号采集以及控制信号均采用现场总线形式传输，例如可以采用基于EtherCAT的总线技术。

在燃烧室反压模拟装置中，还能进一步设置为控制部件4提供控制指令的指令运行部件，指令运行部件与控制部件4连接，能够运行发动机实时模型，得出燃烧室内的当前气压并作为反压模拟设定值发送给控制部件4。在一种具体的实现形式中，指令运行部件包括：计算机1、工控机2和试验器设备管理系统3，计算机1和工控机2之间通过以太网连接并通信，工控机2和试验器设备管理系统3之间通过工业总线(例如PCI总线)连接并通信，试验器设备管理系统3和控制部件4通过硬线连接并通信。

通过对计算机1、工控机2和试验器设备管理系统3之间的功能关系进行描述，可以比较清楚地体现出指令运行部件发送控制指令的过程。计算机1上安装有MATLAB/Simulink等仿真软件，利用Real-TimeWorkshop将发动机实时模型自动转化为实时应用程序，并将程序代码下载到工控机2上实时运行，工控机2通过PCI总线将模型仿真出来的高压压气机的压力信号发送给试验器设备管理系统3作相应处理，试验器设备管理系统3再将处理后的信号发送给控制部件4，控制部件4接收到指令信号后根据内部的控制算法转化为相应的电信号，以对电气比例阀9进行控制。

本实用新型提出的燃烧室反压模拟装置主要依靠对电气比例阀9和反压阀12的控制来模拟发动机燃烧室的反压，它能根据发动机实时仿真模型的计算结果，自动调节反压模拟装置，这种方法能够更客观地模拟出发动机在各种工况下的气压变化，从而更准确地验证出在不同工况下发动机的燃油供应情况。

下面将图1对应的实施例作为一个整体来阐述该燃烧室反压模拟装置的工作过程。计算机1作为上位机运行发动机实时模型，它利用仿真软件将发动机实时模型自动转化为实时应用程序，并将代码下载到工控机2上进行运行，工控机2通过PCI总线将模型仿真出来的高压压气机压力信号通过试验器设备管理系统3发送给控制部件4，控制部件4再根据接收到的压力指令以及内部控制算法，给出对电气比例阀9的控制电流，从而通过电流控制电气比例阀9的开度来模拟高压压气机的压力信号，再由该气压控制反压阀12的出口压力，进而实现对燃烧室反压的模拟。在一个具体的例子中，发动机实时模型的运算周期为5ms，为了模拟燃烧室反压的动态特性，对于电气比例阀9的响应速度要求较高，其响应速度要在ms级。另外，在模拟的过程中，控制部件4根据第一压力变送器10和第二压力变送器11分别采集到的气压和油压反馈信号，实现闭环控制，从而提高反压模拟过程中的控制精度。

在模拟发动机燃烧室反压时，其压力范围一般为0～4Mpa，那么就需要气源站5提供的气体压力不低于4Mpa，如果气源站5的压力不符合条件，则需要由空压机来辅助提供相应压力的气体。

图2所示的控制原理方框图简明地示意出图1中燃烧室反压模拟装置的工作原理，控制部件4在接收到压力指令后，对电气比例阀9的开度进行控制以调整气体供应支路A的供气量，再利用电气比例阀9的出口气压对反压阀12进行控制，进而对发动机供油油路中的燃油进行压力调整。在控制回路中，还引入了反馈控制机制，将电气比例阀9的出口气压作为内环反馈控制量，这一控制量为控制过程中的重要参数；另外还将反压阀12的出口油压作为外环反馈量，这一控制量为控制过程的目标参数，通过采用双重反馈进行控制，能够提高控制部件4最终对反压阀4的控制精度。

本实用新型另一方面还提供了一种半物理试验器，包括上述实施例所述的燃烧室反压模拟装置。采用该燃烧室反压模拟装置的半物理试验器可以用于飞机、汽车或者其它动力机械的发动机半物理仿真试验中，在试验时将对象系统的一部分以实物形式引入，它是在完成了控制系统的硬件研制、软件设计之后，且完成了硬件在回路仿真试验之后，对控制系统进行的软、硬件系统集成试验，验证系统的功能、性能、接口和关键部件的性能等是否满足需求，能够及时发现设计中存在的问题，并有效避免发动机整机试车中存在的风险。

当该燃烧室反压模拟装置优选地用于航空发动机(例如：商用航空发动机)的半物理试验器时，能够较为准确地模拟航空发动机实际工作时燃烧室内变化的压强，从而使FADEC控制系统在半物理试验台上得到更加充分的验证，确保发动机控制系统的正确性和可靠性，有效地降低整机试车的风险。

而且，半物理仿真试验器为控制系统的设计和调试提供了集成设计与测试环境，其采用发动机实时模型取代真实发动机，计算出发动机真实工作过程中的各种状态参数，同时采用真实的燃油控制系统、健康管理系统、起动系统和点火系统与发动机实时模型以及各种模拟设备来完成发动机模拟控制试验；并通过改变飞机模拟座舱中的油门杆角度和控制按钮状态，测试不同状态(起动、慢车、爬升、巡航、停车、各稳态点、过渡态以及故障注入)下控制系统的控制功能和性能，并调整相应回路的控制参数，从而验证控制系统的控制特性与容错能力。

因而，商用航空发动机控制系统半物理仿真试验系统是发动机控制系统开发过程中必不可少的，能够尽量确保发动机控制系统的正确性和可靠性，有效地降低整机试车的风险，最终能够有效的缩短发动机控制系统的研发周期，降低控制系统的研制费用。

以上对本实用新型所提供的一种燃烧室反压模拟装置及半物理试验器进行了详细介绍。本文中应用了具体的实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种燃烧室反压模拟装置，其特征在于，用于模拟发动机燃油供应时燃烧室内的气压，所述反压模拟装置中设有气体供应支路(A)，还包括：气压调节部件、燃油调节部件和控制部件(4)，所述气压调节部件设置在所述气体供应支路(A)中，

所述控制部件(4)用于根据燃烧室内的实时气压值，控制所述气压调节部件调整所述气体供应支路(A)的供气量；

所述燃油调节部件设置在进口燃油和出口燃油之间的油路上，用于在所述气压调节部件的控制下调整供油状态。

2.根据权利要求1所述的燃烧室反压模拟装置，其特征在于，所述燃油调节部件为反压阀(12)，所述气体供应支路(A)设置在气源站(5)和所述反压阀(12)的控制端之间，所述气体供应支路(A)在所述气源站(5)和所述气压调节部件之间设有用于通断支路的高压球阀(6)、用于初步调节气压的调压阀(7)和压力表(8)。

3.根据权利要求2所述的燃烧室反压模拟装置，其特征在于，所述气体供应支路(A)在所述气源站(5)和所述气压调节部件之间还设有空压机，用于在所述气源站(5)提供的压力不足时进行增压。

4.根据权利要求2所述的燃烧室反压模拟装置，其特征在于，所述气压调节部件为电气比例阀(9)，所述电气比例阀(9)的控制端与所述控制部件(4)连接，用于根据所述控制部件(4)发出的控制信号调整所述气体供应支路(A)的供气量。

5.根据权利要求4所述的燃烧室反压模拟装置，其特征在于，还包括气压反馈支路和油压反馈支路，所述气压反馈支路和油压反馈支路中分别设有第一压力变送器(10)和第二压力变送器(11)，所述气压反馈支路用于将所述电气比例阀(9)出口端的气压反馈给所述控制部件(4)以进行反馈控制，所述油压反馈支路用于将所述反压阀(12)出口端的油压反馈给所述控制部件(4)以进行反馈控制。

6.根据权利要求1所述的燃烧室反压模拟装置，其特征在于，还包括指令运行部件，所述指令运行部件与所述控制部件(4)连接，能够运行发动机实时模型，得出燃烧室内的当前气压并作为反压模拟设定值发送给所述控制部件(4)。

7.根据权利要求6所述的燃烧室反压模拟装置，其特征在于，所述指令运行部件包括：工控机(2)和试验器设备管理系统(3)，所述工控机(2)和所述试验器设备管理系统(3)之间通过工业总线连接并通信，所述试验器设备管理系统(3)和所述控制部件(4)通过硬线连接并通信。

8.根据权利要求2～5任一所述的燃烧室反压模拟装置，其特征在于，所述反压阀(12)采用减压阀、节流阀或调速阀。

9.一种半物理试验器，其特征在于，包括权利要求1～8任一所述的燃烧室反压模拟装置。