飞机动力装置：燃气涡轮发动机控制系统

燃气涡轮发动机控制系统8.1概述8.1.1发动机控制系统的功用燃油流量控制根据发动机的不同状态，将清洁的，无蒸气的，经过增压的，计量好的燃油供给燃烧室控制中要求不能喘振；不能超温；不能超转；不能富油熄火；不能贫油熄火。为满足上述安全限制，燃油调节器应在这些限制之内工作。放气活门VBV（VariableBleedValve）和导向叶片VSV（VariableStatorVane）的控制。涡轮间隙TCC（TurbineClearanceControl）的控制燃气涡轮发动机控制系统10.1.2发动机控制的内容和方法推力控制根据发动机的工作状态和飞机的飞行状态，计量供给然烧室的燃油，获得所需的推力。推力控制包括:转速控制、压比控制、反推力控制。过渡控制过渡控制的目的是使发动机过度过程能迅速、稳定和可靠地进行。一般包括有:起动、加速和减速过程的控制及压气机的防喘控制。安全限制安全限制的目的是保证发动机安全正常的工作。防止超温、超压、超转和超功率。安全限制系统只有当出现有超温、超压、超转和超功率是才起作用而工作。燃气涡轮发动机控制系统发动机工作限制在地面条件下工作时所受限制最大转速贫油熄火涡轮前燃气总温的最高值压气机喘振边界在空中条件下工作时高空低速时受燃烧室高空熄火的限制因为高空空气稀薄，燃油雾化质量差，难以稳定燃烧低空高速时受压气机超压限制燃气涡轮发动机控制系统图10-1发动机安全工作范围

燃气涡轮发动机控制系统10.1.3基本概念为了得到最有利的发动机工作状态，最好能同时调节尽可能多的工作参数例如转速，涡轮前燃气总温，通过发动机的空气流量，燃烧室的余气系数等但这要求在发动机上安装大量的传感器和调节器，从而使发动机的结构和使用变得很复杂通常是尽可能将被控参数的数目减少，即只调节决定发动机工作状态的最基本的参数燃气涡轮发动机控制系统控制相关概念控制对象被控制的技术对象称为控制对象，如发动机控制器控制对象以外的，为完成控制任务的机构的总合控制系统控制对象和控制器的总合称为控制系统被控变量能表征被控对象（发动机）的工作状态，又能被控制的变量称为被控变量。如发动机的转速可控变量能影响被控对象（发动机）的工作过程，用来改变被控变量大小的变量称为可控变量对于涡喷发动机一般供油量为可控变量;对于涡桨发动机，一般供油量和桨叶角为可控变量燃气涡轮发动机控制系统干扰量作用在被控对象或控制器上，能引起被控对象发生变化的外部作用量，如大气温度，大气压力（飞行高度，飞行马赫数），大气湿度等。给定量驾驶指令发动机控制方案根据外界条件（飞行高度和速度）或驾驶指令来改变可控变量，以保证发动机的被控变量不变或按预定规律变化，从而达到控制发动机推力的目的。组成发动机的控制系统由控制装置和被控对象组成，组成控制装置的主要元件有:敏感元件，放大元件，执行元件，供油元件等。燃气涡轮发动机控制系统闭环控制闭环控制的应用被控对象-------发动机输出变量n（即控制器的输入量）外界干扰量燃气涡轮发动机控制系统控制器组成敏感元件（即离心飞重）感受发动机的实际转速指令机构（即油门杆）它通过传动臂，齿轮，齿套等来改变调准弹簧力，确定转速的给定值放大元件（即分油活门）分油活门的位置由离心飞重的轴向力与指令机构给定的调准弹簧力比较后的差值决定;执行元件（即随动活塞）它控制柱塞泵斜盘的角度，从而改变供油量供油元件（即燃油泵）燃气涡轮发动机控制系统图10-3闭环控制系统

燃气涡轮发动机控制系统闭环控制系统的工作过程发动机稳定工作时发动机的转速和给定值相等，分油活门处于中立位置控制器各部发都处于相对静止状态当外界条件变化引起发动机的转速增加（如何减小qmf）分油活门向上移动n增加敏感元件离心飞重的离心力变大，张角变大，其轴向力变大，大于调准弹簧力随动活塞向下移动，使柱塞泵的斜盘角变小，供油量减少,使转速恢复到给定值分油活门两个突肩堵住的上下两条油路打开随动活塞的上腔与高压油路相通下腔与回油路相通燃气涡轮发动机控制系统如何通过调节油门给定转速当推油门时，则通过传动臂，齿轮，齿套等来改变调准弹簧力转速给定值改变控制器相应地调节供油量，将转速调到给定值具体工作原理燃气涡轮发动机控制系统闭环控制的优缺点控制器感受的不是外界的干扰量，而是直接感受发动机（被控对象）的被控参数（转速）当被控参数有了偏离后，才被控制器感受，再进行控制，使被控参数重新恢复到给定值由于它是按被控参数的偏离信号而工作的，故称闭环控制的工作原理为偏离原理。它的优点是控制比较准确，但控制不及时，滞后燃气涡轮发动机控制系统开环控制控制器与发动机的关系以及信号传递的关系形成一个开路,故称为开环控制系统被控对象的输出量是发动机的转速n，控制器的输入量是干扰量f;而控制器的输出量是qmf燃气涡轮发动机控制系统敏感元件（膜盒）感受进气总压;进气总压是飞行高度和飞行马赫数的函数;指令机构（油门杆）通过传动臂，齿轮，齿套等来改变调准弹簧力，确定转速的给定值;放大元件（档板活门）档板通过与膜盒相连的杠杆的作用来改变其开度执行元件（随动活塞）它控制柱塞泵斜盘的角度，从而改变供油量;供油元件（柱塞泵）燃气涡轮发动机控制系统图10-4开环控制系统

燃气涡轮发动机控制系统开环控制系统工作原理当飞行高度增加时，进入发动机的空气流量减少,同时也使PH＊减小，控制器和膜盒同时感受到这一干扰量的变化，于是膜盒膨胀,通过杠杆使档板活门的开度增大，随动活塞上腔的放油量增大，使随动活塞上移并带动柱塞泵的斜盘角变小,供油量减少与空气流量的减少相适应，从而保持转速不变开环控制系统特点控制器和发动机同是感受外界的干扰量只要干扰量发生变化，控制器就相应地改变可控变量qmf，以补偿干扰量f对发动机所引起的被控参数n的变化，从而保持被控参数不变这种控制系统的控制工作原理为补偿原理。这种控制系统控制及时，滞后较小，但由于不能感受所有的干扰量，故控制不太准确燃气涡轮发动机控制系统复合控制:复合控制系统是开环和闭环控制的组合控制系统这种控制系统蒹有开环和闭环控制系统的优点，即控制及时(响应快)又准确(精度高)，工作稳定，但控制器的结构较复杂。燃气涡轮发动机控制系统10.2液压机械式发动机控制系统发动机控制系统分类液压机械式

监控型电子式

全功能数字电子式液压机械式及气动机械式燃油控制器目前为止民用航空发动机上使用最多的控制器它有良好的使用经验和较高的可靠性它除控制供往燃烧室的燃油外，还操纵控制发动机可变几何形状，例如可调静子叶片、放气活门、放气带等，保证发动机工作稳定和提高发动机性能燃气涡轮发动机控制系统液压机械式控制器计算是由凸轮、杠杆、滚轮、弹簧、活门等机械元件组合实现的，由液压油源作为伺服油（控制油）气动机械式调节器计算则是由薄膜、膜盒、连杆等气动、机械元件组合进行的，使用压气机空气作为伺服介质10.2.1液压机械式发动机控制系统组成低压燃油泵，加热器，主油泵，燃油滤，燃油控制器，流量传感器，燃油／滑油热交换器，增压泄油活门，燃油总管，喷油嘴

燃气涡轮发动机控制系统10.3监控型电子控制从液压机械式控制向数字电子控制的过渡在原有的液压机械式控制器基础上，再增加一个发动机电子控制器（EEC），两者共同实施对发动机的控制在这种类型的发动机控制中液压机械式控制器作为主控制器负责发动机的完全控制，包括启动、加速、减速控制，转速控制发动机电子控制具有监督能力，对推力（功率）进行精确控制，并对发动机重要工作参数进行安全限制由于电子控制便于同飞机接口，易于推力管理，状态监视，以及信号显示和数据储存燃气涡轮发动机控制系统10.4全权限数字电子控制(FADEC/EEC)FADEC全称

fullauthoritydigitalelectroniccontrolFADEC应用PW4000，V2500，RB211-524，GE90等全它发动机控制发展的最新水平，也是今后发展的方向FADEC组成FADEC系统是管理发动机控制的所有控制装置的总称发动机电子控制器EEC或电子控制装置ECU是它的核心所有控制计算由计算机进行，然后通过电液伺服机构输出控制液压机械装置及各个活门、作动器等，因此液压机械装置是它的执行机构燃气涡轮发动机控制系统10.4.1FADEC的功能1、发动机控制方面推力管理对发动机的推力进行精确的控制，提高了推力控制的精度燃油量的控制包括启动、加速、减速、稳态的流量控制；控制放气活门（VBV）的开度和可调静子叶片（VSV）的角度以得到最佳的喘振裕度，防止喘振使发动机更好地工作;涡轮间隙（TCC）控制控制发动机不同级的引气，从而保证涡轮叶尖间隙为最佳间隙，减少漏气损失，提高涡轮效率，提高发动机的性能;对发动机的燃油和滑油进行控制;对发动机的起动点火和反推进行控制;安全保护EEC使发动机的各主要参数不超限燃气涡轮发动机控制系统2.滑油系统2.1功用：航空发动机的滑油系统主要有以下功用润滑冷却清洁防腐，此外，在有些动力装置上，滑油还被用作其它工作系统的工作介质。滑油的热量可以作为防冰系统的热源。燃气涡轮发动机控制系统2.2滑油系统的组成（按部件分）滑油系统主要由滑油箱、增压泵、滑油滤、回油泵、滑油散热器、油气分离器、指示系统和磁性堵塞等组成。2.3滑油系统的组成（按系统分）典型的发动机的滑油系统由压力系统、回油系统和通气系统三部分组成。

燃气涡轮发动机控制系统3.起动系统3.1功用：在地面起动发动机时，与点火系统协同工作，使发动机起动点火，飞行时，点火系统单独工作。

所有燃气涡轮发动机的起动程序基本相同，但采用的方法可以不同。视发动机和飞机的要求不同，对起动系统的要求也不相同。军用飞机要求发动机能在最短时间内起动，并尽可能不依赖于外部设备；民用飞机则要求能用最经济的方法起动并对旅客的影响最小。虽然对起动系统的要求各不相同，但可靠性都是最重要的。燃气涡轮发动机控制系统

3.2过程根据发动机起动过程中，带动转子转动的扭矩与转子阻力矩的变化情况，可以将起动过程分为三个阶段：

第一个阶段：由起动机开始带动发动机转子转动起（n＝0），到涡轮开始发出功率时止（n＝n1）。在这个阶段，带动发动机转子加速的驱动力来自起动机，作用在转子上的加速力矩为起动机输出的扭矩与转子阻力矩（主要包括气动阻力矩、机械摩擦阻力矩以及传动附件的力矩等）之差，即燃气涡轮发动机控制系统

第二个阶段：由涡轮开始发出功率时起（n＝n1），到起动机脱开时止（n＝n2）。在这个阶段，带动发动机转子加速的驱动力来自起动机和涡轮转子，也就是起动机和涡轮转子共同带动发动机转子加速。发动机获得的加速力矩为：燃气涡轮发动机控制系统

第三个阶段：由起动机脱开时起（n＝n2），到发动机进入慢车状态时止（n＝ni）。在这个阶段，带动发动机转子加速的驱动力来自涡轮转子，也就是由涡轮转子单独带动发动机转子加速。这时发动机获得的加速力矩为：

燃气涡轮发动机控制系统3.3分类

燃气涡轮发动机常用的起动机有：电动起动机、燃气涡轮起动机和空气涡轮起动机等几种。电动起动机一般采用直流电动机作为电动起动机，如图所示。优点：使用、维护方便，尺寸小，易使起动过程自动化。缺点：重量大，起动扭矩不够大，不适用于中、大型发动机，供它所需的机载蓄电瓶较重。另外，起动机的功率对外界气温与电压的变化比较敏感。燃气涡轮发动机控制系统电动起动机燃气涡轮发动机控制系统燃气涡轮起动机

燃气涡轮起动机实际上是一台完整的小型涡轮轴发动机，如图所示。一般由单面单级离心式压气机、回流式燃烧室、单级向心式涡轮、单级动力涡轮、减速器、离合器等组成。除此之外，还应有自己的燃油系统、滑油系统、起动系统等。优点：起动功率大、不依赖地面电源、可以多次重复使用。缺点：结构复杂。燃气涡轮发动机控制系统燃气涡轮起动机燃气涡轮发动机控制系统空气涡轮起动机

空气涡轮起动机属于无压气机的涡轮起动机，由单级涡轮，减速器，离合器和传动轴等组成，如图所示。空气涡轮所需的空气，可来