第1章绪 论
1.1 航空发动机燃油及控制系统简介
1.1.1 航空发动机控制系统技术内涵
从1903 年莱特兄弟的飞机首次成功飞行至今，在100 多年历史中，动力飞行器的发展经历了活塞式内燃机动力和涡轮喷气发动机动力两个历史阶段，现代飞机大都使用燃气涡轮发动机，本书主要研究现代燃气涡轮发动机的控制系统试验。
航空燃气涡轮发动机的控制系统设计所面临的主要挑战是发动机的工作范围非常宽广，使用工况和环境条件非常恶劣，发动机个体之间存在较大差异并随使用时间的增加性能逐步衰减，在这种条件下控制系统必须保证发动机稳定可靠的工作。
发动机控制系统是在各种飞行条件下，通过控制燃油流量、几何位置及逻辑状态，实现发动机起动、加速、减速、稳态、加力、停车等各种过程和状态的控制，以优化发动机的性能和适应性。
控制系统中，驱动发动机工作的是计量燃油和由燃油驱动的作动机构，以燃油为工作介质的燃油泵、燃油计量装置和伺服作动机构是控制系统中的重要部件。因此发动机控制系统一般也称为燃油及控制系统，本书中所指控制系统即为燃油及控制系统。
为了避免超过发动机气动、热力和结构的限制，控制系统应限制发动机关键参数，包括喘振及失速裕度保护，转速、压力、温度限制，熄火保护等，以确保发动机的安全性和耐久性。
控制系统必须具备故障检测、故障诊断、故障隔离、系统重构等功能，以保证控制系统故障安全工作。
控制系统必须具有与飞机通信的功能，以向飞机系统输送发动机状态信息，并接收飞机指令，实现飞推综合控制。
随着未来先进发动机使用维护要求的提高，控制系统的功能将从发动机控制向发动机管理领域扩展，如发动机故障诊断、发动机健康预测、发动机热管理等。
发动机控制系统的一般构成如图1.1 所示，主要由传感器、控制计算单元、油源及执行机构、控制对象（发动机）组成。
图1.1 发动机控制系统的一般构成
1.1.2 航空发动机控制技术的发展历程
航空发动机控制系统经历了简单液压机械控制、复杂的电子液压机械控制、第一代到第三代全权限数字电子控制等发展阶段。
1942 年，美国第一台喷气发动机——GE 公司（通用电气公司）制造的I A 发动机问世，该发动机采用的是液压机械控制器，该控制器根据涡轮设定转速和实际转速之间的差值按比例地计量进入发动机的燃油流量。1951 年，普惠公司进行了世界首台双转子涡喷发动机J57 的飞行试验，J57 发动机的主燃油和加力燃油都采用了液压机械控制。
20 世纪50 年代后，随着高压比、高涵道比涡扇发动机技术的发展成熟，发动机控制技术也发展到了可变几何的控制，即压气机静子叶片的控制、喷管的控制。随着控制功能的增加，液压机械控制器越来越复杂。特别是到了20 世纪70 年代后，以美国的F100 发动机及俄罗斯AL 31F 发动机为典型代表的第三代发动机问世，为了发挥发动机的性能，控制计划和控制功能变得更加复杂，纯液压机械控制器很难满足要求，因此发展了电子装置辅助完成监视或控制功能。AL 31F 发动机就采用了电子液压机械混合控制系统。
尽管液压机械控制非常可靠，但随着控制复杂性的增加，其体积和重量越来越大，液压机械控制很快达到了技术及实用的极限。
20 世纪70 年代后，数字电子控制设备（ECU）的发展提供了更强的监视或控制功能。如果一台ECU 能根据飞行员的指令控制发动机的整个工作（从起动到停车），就认为具有全权限控制（FADEC）。F100 PW 220 发动机的数字式电子发动机控制（DEEC）是世界首台进行飞行试验的全权限数字电子控制系统。
1990～2002 年，双通道的FADEC 成为喷气发动机的标准控制系统，双通道都有自己独立的传感器、计算、输入和输出单元等，通道之间可以传递数据，采用轮转方式工作，当一个通道工作时，另一个通道处于备份状态，当工作通道故障时，转到另一个通道工作。
第二代全权限数控系统融入了先进的算法和控制能力。比第一代系统产品拥有更多的输入输出量、更强的故障监视能力、更好的机内自测试技术（BIT）和更强的计算能力、更准确的起动等状态的燃油计量能力。控制系统具备鲁棒控制的明显特征，例如：发动机加减速特性对飞行条件的变化，发动机之间的偏差等因素不敏感，防喘消喘算法能保证在整个工作包线内有可靠的喘振裕度。在发动机超温或超速时，通过限制器保护发动机。这些控制技术不需要随着时间变化进行校准和调节，电子控制器还提供大量的诊断数据给发动机和飞机维护系统。
2002 年，装有第三代全权限数字电子控制系统的F119 发动机开始用于美国空军最新机种，第三代全权限数字电子控制系统采用双双余度系统架构，双通道的每一个通道都是完全独立的控制器，采用同时输出的工作模式，当一个通道故障时，故障通道自动退出控制。每台控制器有两个CPU，一个用于控制计算，另一个配置机上自适应发动机模型，采用Kalman 滤波器估算发动机准稳态参数，实现机载发动机流道参数的解析余度和实时自适应优化战斗机和发动机性能。与第二代FADEC 相比，其控制功能增加了1 倍，采用双双余度、实时故障补偿等技术，控制系统和发动机的可靠性、安全性和维修性都大大提高，如任务中断率低于50／106 h，平均非计划维修间隔时间长于800 h；由于采用改进的诊断与健康管理系统，控制系统和发动机的可维护性明显改善，工作费用明显降低。
LEAP 发动机采用最新一代FADEC，在发动机短舱内通过分布式结构实现优化集成，一台发动机安装两个独立控制器，每个控制器使用双核P2020 处理器和一个德州仪器的开放式多媒体应用平台（Open Multimedia Application Platform，OMAP）处理器，共同完成发动机控制和健康管理系统的功能。预测与健康管理（PHM）系统具有控制系统、滑油系统、起动系统、燃油系统、机械系统以及发动机气路性能的健康监视功能，并能更准确高效地预测潜在故障。
未来航空发动机控制系统将向主动控制、智能控制、分布控制和减轻控制系统重量的方向发展，将发展机载实时的发动机模型，采用先进的控制逻辑和设计方法，并且发动机状态监视系统将与发动机控制系统实现更好地融合。通过采用电能驱动的燃油泵、作动器系统和先进的电子硬件，提高FADEC 系统硬件的可靠性；通过采用先进的控制逻辑和设计方法，并与其他机载系统（进气道控制系统、飞控系统、火控系统等）相综合，获得更好的系统性能和控制品质；同时，提高控制系统的寿命，以降低系统的研制和使用成本。
1.1.3 航空发动机控制系统组成和原理图
1.1 介绍了航空发动机控制系统的一般构成，从1.1.2 节中介绍的航空发动机控制系统的发展可以知道，航空发动机控制系统有两种典型形态，一种是液压机械控制系统，另一种是全权限数字电子控制系统。燃油泵和执行机构部分两种形态基本是相同的，计算单元和传感器都采用液压机械装置，则是液压机械控制系统；计算单元采用电子计算机、相应传感器采用电信号输出的，则是全权限数字电子控制系统。两种系统分别简介如下。
1. 液压机械控制系统
一般来说液压机械控制系统主要由增压泵、主燃油泵、加力燃油泵、喷口油源泵、主燃油调节器、加力燃油调节器、导叶调节器、喷口调节器、主燃油分布器、加力燃油分布器等部分组成，根据发动机类型的不同其组成也不尽相同，如民用涡扇发动机和涡轴发动机是没有加力和喷口的，因此没有加力和喷口调节器。这些液压机械装置，经常会组合在一起，形成一个产品。例如，主泵、主燃油调节器、导叶调节器常常组合成主泵调节器，加力泵、加力燃油调节器、喷口调节器常常组合成加力喷口调节器。
图1.2 是某型发动机主燃油调节器原理图，主要包括柱塞泵、恒量供油调节器、带有软反馈的转速调节器、升压限制器、液压延迟器和自动起动器等。泵由发动机高压转子驱动，转速调节器感受发动机低压转子转速。主燃油调节系统保证发动机起动、加速、减速和稳态工作。
发动机主燃油系统为闭环转速调节系统。发动机转速调节分两段：当油门杆角度小于自动调节开始转速所对应的角度时为手控区。由恒量供油调节器保持供油量与油门开关开度相对应，不随飞行条件变化。当油门杆角度超过自动调节角度时为自动调节工作区。恒量供油调节器退出工作，由带有软反馈的转速调节器感受低压转子转速，比较低压转子转速和油门杆对应的转速设定值后，经相关计算和执行机构工作改变主燃油流量，保证发动机低压转子转速跟随设定值。当油门杆处于停车位置时，油门开关切断供油路。
以转速控制为例来说明其具体工作原理。转速自动调节器主要包括感受低压转子转速的离心式转速传感器（即离心配重）、旋转的分油活门、分油活门弹簧、随动活塞、回输活塞反向活门（此活门经杠杆与回输套筒相连接）和中腔层板等元组件。原理图上的调节器处于均衡位置，离心配重产生的轴向力和分油活门左端的弹簧力相平衡，此时中腔既不与反向活门进油路相通，也不与放油路相通。当转速降低时，离心配重产生的离心力减小，分油活门失去力平衡，向右移动，引起控油口流通截面改变，活塞后腔油压增大，前腔油压降低，驱动斜盘往增加供油量的方向移动，供油量增加，发动机转速随之增加。当转速逐渐增加到设定的转速后，调节器达到新的平衡。当转速增大时，将出现类似的调节过程，只是方向相反而已。
从图1.2 和转速控制的工作原理可以看到，液压机械调节器是非常复杂的，由泵、各种活门、杠杆、齿轮齿条、离心飞重等元件协同工作，才能完成控制功能。元件性能的偏差、装配的偏差等因素都会影响控制性能，甚至无法正常工作，因此，元件、组件、部件的测试和试验是一项很重要的工作。
图1.2 主泵调节器原理图
2. 全权限数字电子控制系统
全权限数字电子控制系统的构成与发动机类型相关，带加力的涡扇发动机构成较为复杂，以此为例进行说明。图1.3 是典型带矢量喷管加力涡扇发动机控制系统组成原理示意图，主要由电子控制器、各类传感器、发动机诊断器、主燃油泵、组合伺服燃油泵、主燃油机械液压装置、加力喷口控制装置、增压放油阀、射流点火装置、除水阀、导叶控制装置、导叶作动筒、矢量喷管作动器、喷口作动筒、防冰控制装置、引气转换装置、电缆组件等组成。
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