直升机发动机控制系统

直 升 机 技 术 年第 期 总 第 期 直升机发动机控制系统 胡传东 中国直升机设计研究所 , 景德镇 , 摘 要 本文对直升机发动机控制系统作了简单介绍 。 对直升机发动机 控制 系统的基本要 求 、 工作特点和直升机发动机液压机械式控制系统 , 监控式电子控制系统作了较详细 的说明 。 描述 了直升机发动机全权 限数字式电子控制系统功能及 主要技术要求 。 通 过 国外三 种典型 直升机发动机控制系统的 比较 , 进一步指 出 我们应当大力开发 、 应用 系统 。 关键词 直升机 发动机 控制系统 随着直升机技术 、发动机技术和控制系统技术的发展 , 直升机发动机控制技术得到不 断的提高 。 从早期的机械式发展到现代较广泛采用的液压机械式或液压机械式与电子控 制相结合的监控式控制方式 , 如 直升机发动机的控制系统 、 一 直升机发动机的控 制 系统 。 由于现代直升机任务剖面的不断拓宽 , 对发动机的控制提 出了更高的要求 , 为了 更准确地控制发动机和减轻驾驶员 的负担 , 特别是满足军用直升机作战时的复杂要求 , 现 代直升机均采用先进的全权限数字式电子控制 系统 , 如 一 科曼奇直升机 发动机控制系统 、 改装 一 的 一 、 一 直升机发动机控制系统 。 直升机发动机控制系统的基本要求 为保证直升机完成各种飞行任务 , 直升机发动机控制 系统应 以最佳的控制方式来满 足控制要求 。 因此 , 直升机发动机是否能完善地工作 , 在很大程度上取决于控制系统实现 给定控制规律的能力 、 系统工作是否可靠等 。 为了实现直升机发动机的最佳控制 , 对其控 制系统的主要要求是 在直升机的任何工作状态 , 发动机工作过程必须稳定 。 为 了提高其工作过程 的稳 定性 , 在发动机上装有防止各类压气机进人喘振的机构和控制器 以及 为避免燃烧室工作 不稳定的发动机最小供油量限制器等 。 控制系统应保证发动机涡轮前温度和压气机转速处于最大允许值时能正常工作 , 并能防止这些参数急增超过允许值 , 目的是使发动机获得尽可能高的功率 。 当直升机飞行状态改变 , 发动机由一种工作状态 向另一种工作状态过渡时 , 应保 证工作过程各参数的变化规律符合选定的控制规律 。 在地面 、空 中所遇到的所有可能的外界条件范 围内 , 应保证发动机可靠和安全地 起动 即尽可能宽广的起动包线 。 为保证直升机的机动性 , 发动机应具有 良好的跟随性 。 发动机 由慢车状态过渡到 收稿 日期 一 一 直 升 机 技 术 年第 期 总 第 期 大功率状态 一般指起飞功率状态 时 , 加速性在 一 秒间 。 当直升机 飞行状态改变时 , 控制系统应保证消除旋翼转速 出现超转的可能性 。 在双发或多发并车时 , 控制系统应保证它们的功率和转速的协调一致 。 对发动机的工作状况监控 、 预报 、故障隔离和 。 为了实现这些主要要求 , 现代直升机发动机装有复杂的 自动控制系统和操纵系统 , 及 若干独立的 自动装置 。 它们可能在无人干预下 , 保持任何控制参数与给定值保持不变 , 或 者按所希望 的方式改变任何控制参数 。 直升机发动机控制系统的基本工 作特点 现代直升机一般都装备 自由涡轮式涡轮轴发动机 , 通过控制燃气发生器转速 , 来 控制动力 涡轮转速 进而通过转速控制 自由涡轮来满足直升机功率需求 。 燃气发生器 转速 的控制 由涡轮燃油控制器的工作来完成 。 为保证该转速所需功率 , 由 自由涡轮控制 器计量燃油调节器 , 自动保持 。 这种控制是连续 的 , 不断按转速控制燃油流量 , 使直升机 发动机按要求正常运转 。 燃油流量是发动机转速 、 、压气机出口 压力 和燃气发生器油门杆位置 的函 数 。 通过将上述影响直升机发动机工作的参数输人其燃油控制设备 中进行计算 , 控制燃 油喷嘴的燃油流量 , 使之既不会引起发动机超温而烧蚀热部件 , 又 不致引起燃烧室反压过 大造成压气机喘振 , 甚至造成发动机富油熄火 , 也不 因供油不 足而 贫油熄火 , 以保证发动 机稳定地工作 。 目前的直升机发动机控制系统 液压机械式控制 系统 目前 , 国内外各国较普遍采用液压机械式控制系统 , 利用燃油作为调节功能的工作介 质 , 其主要部分为燃油计量部分和计算部分 。 燃油计量部分的主要部件是燃油计量活 门 。 燃油通过该活门来保持压差不变 , 燃油流量 由计量活门的开度决定 。 计量 活 门的开度 由 计算部分和油 门杆位置决定 。 计算部分的功用从直升机驾驶员和发动机接受信号 , 计算 出向燃油喷嘴应输 出的燃 油流量 。 例如 , 驾驶员把油门杆一直向前推 , 计算部分就使计量活 门的开度增大 , 使燃油 增加 , 提供燃烧所需的恰 当的油气混合气 , 使发动机在不致受损 的条件下 , 最大限度地迅 速加速 。 如果燃烧压力接近引起喘振或失速的极限时 , 计算部分就将限制燃油流量 , 直到 与空气流量的增加相匹配为止 。 虽然液压机械式控制系统在设计 、 工艺 以及可靠性等方面 比较成熟 , 但随着直升机和 发动机控制要求的不断提高 , 已 明显暴露出局限性和一些缺点 。 主要缺点是 能实施控制 的变量有限 、控制范围窄 且存在精密组件的封严技术难点 运动件易受损变形造成控制 精度不高 可更改性差 、维护调整工作量大 零组件加工精度要求高 结构复杂笨重等 。 因 此 , 液压机械式控制系统难 以满足控制参数更多的直升机发动机控制要求 。 监控式控制 系统 国外 自 年代起尝试采用 电子零件控制 , 年代发展 了监控式电子控制 简称监控 式控制 , 其计算机只接受有关直升机发动机各种工作参数信息 , 监控 的液压机械式控 制 直 升 机 技 术 年第 期 总第 期 系统控制燃油 的输 出 , 液压机械式控制 系统的功用则是响应电子控制指令并且实现 。 现 以 一 直升机发动机控制系统为例 , 简述如下 功能 一 直升机装备两 台 一 发动机 , 采用监控式控制 , 使用方便 , 对飞行员 的注 意力要求较低 , 可完成许多过去 由驾驶员完成的操纵功能 对动力涡轮和直升机旋翼 进行 同步控制 自动分配载荷 自动限制功率涡轮进 口 温度 通过总扭矩补偿 , 使发动 机具有迅速的过渡态响应特性 自动起动和 自动发出应急功率等 。 详见表 表 控制 系统的功能 液压机 械控制装置 电子控制装置 · 液压增压 · 燃油流量计量 · 加减速流量限制 是 几 、 、几 的函 数 · , 限制 · 可 调叶片的定位 是 人佰的 函数 · 接受 信 号 , 调整 , 控 制器 · 启 动供汕程 序 · 山 刀 进行 总距补偿 · 由 使 控 制失效 · 不工作时 , 控制 根据 的 超载信号 , 发动机停车 · 报据下述条件确定 对 控制器的调整 同步控制 毛 限制 扭矩载荷分配 来 自驾驶舱的 信号 · 姚 多余度超转限制 · 驾驶舱 内 、 ’’ 扭矩信号 · 历史记 录器 的信 一 号 符号说明 电子控制装置 几 压气机出 口 压力 液压机械装置 毛 压气机进 口 大气 温度 负载杆 总距输入 毛 , 动力涡轮进 口 温度 功率杆 , 燃油流量 , 燃气发生器转速 夕 温度修正系数 动力涡轮转速 旋翼转速 液压机械式控制系统的工作 当 置于 。时 , 燃气发生器转速 , 为 当 置于 “ 时 , 在电子控制 系 统有故障的情况下 , 电子控制系统与液压机械式控制系统接 口 —液压锁定机构投人工作 , 使燃气发生器转速无法增大 , 并且使液压机械装置机匣 与机外相通 , 以利于燃油系统 工作 。 力 、 矩马达用于检测需用载荷 , 当力矩马达没有输人 , 而 置于最大时 , 液压机械控 制装置 的工作和燃气发生器 的功率控制一样 , 由 控制 。 发动机 的工作程序 , 如加速 燃油量的变化和压气机可调叶片位置的确定过程都由液压机械控制装置 内的三维凸轮控 制 , 凸轮的位置决定 于 和 毛 。 需用载荷信号 由 引入液压机械式控制系统 。 当 置于最大位置 , 直升机旋翼 总桨距为最大 。 当 从最大位置下来时 , 燃气发生器的转速将发生变化 , 为使两者变 化协调一致 , 需重新调整 , 以达到与 位置协调 的转速 , 调整工作是 由电子控制 系 统来进行的 。 电子式控制系统的工作 直 升 机 技 术 年第 期 总第 期 电子控制系统 由发动机上 的交流发电机供 电 。 电子式控制系统的主要工作 把实际转速 与标准的动力涡轮转速相 比较 , 计算出转速误差 , 输人计算机 。 比较两台发动机的实际扭矩 。 当一发扭矩 为 , , 小于另一发扭矩 时 , 就 有一 个扭矩误差信号输人计算机 。 当扭矩误差信号加到动力涡轮标准转速上时 , 会使扭矩为 的发动机动力涡轮转速增加到超过原选定转速 的 。 如果 大于 , 就没有误 差信号输人到计算机去 , 也就不会减小较大功率发动机的功率 。 这种设计通常称为 “ 最大 匹配原则 ” 。 被测发动机的 毛 超过规定标准时 , 输 出一个信号至燃油 系统 , 以减少供油量 , 防 止超温 。 比较转速误差和载荷分配信号以 及超温信号 , 选取最低的 信号送 至液压机械 式控制系统 , 减小燃气发生器功率达到要求值 。 电子式控制系统的电输 出驱动液压机械式控制系统 中的力矩马达 , 力矩马达能改 变需用载荷程序 , 如 同可用功率轴移向减小需用功率方向一样 。 力矩马达只能减小 , 到 不低于地面慢车的转速 , 只允许功率增加 到 的位置 。 当 推至 上时 , 电子式 控制系统即失效 , 可 以用手动调整发动机 。 在整个控制系统 中 , 液压机械式控制系统和电子式控制系统在功能上的区别 , 前者主 要使发动机安全工作 , 后者是进行精确的调节 , 以减轻飞行员 的负担 。 早期的监控式控制 , 是模拟式 电子控制 , 如 一 。 其特点是信息 的采集 、 处理 、 控 制规律的形成 , 控制功能的产生等 , 均采用模拟量来实现 , 其优点是反应速度快 , 缺点是逻 辑功能有限 , 控制精度不够高 , 而 当要求复杂控制规律时 , 模拟元件数量会急剧增加使系 统变得很复杂 。 采用数字式电子监控系统 , 也存在着不少缺点 , 如监控式控制系统无法适 应直升机和发动机之间的综合控制 。 先进 的直升机发动机控制系统 先进的直升机发动机控制系统 , 采用 系统 , 世界上发达国家在 年代起就开 始研制 , 目前 已应用到直升机型号上 , 如 一 。 系统 , 是以数字电子计算机为控制中心 , 以数字量进行控制过程运算 , 其优点 是逻辑功能强 , 综合能力强 , 控制精度高 , 可适应复杂的控制规律要求 , 通过计算机程序以 数字运算形式实现 , 使发动机能在最优性能和最安全的工作条件下工作 , 拓宽直升机的使 用包线 , 大大地减轻驾驶员的负担 。 同时 , 在改变发动机控制规律时 , 无需再增加新元件 , 只需改变计算程序 , 而计算程序的改变较为容易 , 通用性很强 。 从全寿命周期观点看 , 其 最大的优越性还在于能有效地制定发动机的维修计划 。 系统功能 以装备两台 自由涡轮轴发动机为例 起动 起动程序 自动完成发 动机地面起动 , 到慢车状态 。 在空 中停车时 , 起 动程序 能 自动再次点火或执行驾驶员的指令 。 起动控制律采用 自适应控制律 。 自动适应下列参数变化 · 直升机所处 的 自然环境如高度 、温度 直 升 机 技 术 年第 期 总第 期 · 发动机冷 、热状态 · 燃油的种类 、 温度 、 粘度 , ’漫车 起动程序结束 , 驾驶员可在下列两种情况下 , 选择燃气发生器地面慢车转速 。 · 当直升机处于旋翼刹车状态 , 根据旋翼刹车限制的扭矩选择 , 慢车 。 旋翼刹车不 松开 , , 处于慢车状态 。 · 当发动机在高寒 的条件下起动 , 待滑油系统上升到需要的温度 。 除此之外 , 起动完成后 , 就可直接进行旋翼加速 。 旋翼加速 旋翼加速 自动进行 。 可 以使直升机简单 、快速地进入 “ 起飞准备 ”状态 , 自动 旋翼加速控制器可 以抑制扭矩急增 和起落架的摇摆 , 增加乘员的舒适性 。 旋翼总距位置按照预期的功率要求确定 。 如果需要 , 旋翼转速作为噪声 、性能或机动 性相关标准确定的飞行速度 、高度 、 飞行剖面 的函数 , 可 由驾驶员或直升机飞行管理系统 进行调整 。 两台发动机的匹配 两台发动机按 , 或扭矩进行匹配 , 匹配参数 或扭矩通过数字总线在两 台发动机 的 装置之间交换 , 发出功率少的发动机 自动增加功率来实现双发功率平衡 。 发动机限制 自动控制 根据功率需求 , 由 转速控制器计量供油 , 既能防止 , 超转 涡轮进 口 温度 几 或 自 由涡轮进 口 温度 几 、超 温 , 又 能防止加速时压气机喘振 , 减速时燃烧室熄火超 出瞬时 限 制 。 功率 、 扭矩 限制 功率需求能 自动调整 , 保证双发工作条件下 , 直升机传动齿轮箱的扭矩限制和单发工 作条件下 , 发动机的输出扭矩限制或根据 、 , 大气温度 、 大气压力预估的扭矩限制 。 瞬时超扭限制 当直升机功率需求急增 , 旋翼速度会瞬时下降 , 直到发动机功率与其相匹配 。 旋翼转 速加速到名义值时 , 则避免可能的超扭状态 , 以防损坏直升机齿轮箱和直升机摆动 。 防冰和放气活 门的控制 当直升机在低温 、高湿环境下飞行时 , 根据结冰信号或驾驶员指令 自动控制防冰引气 活门 。 根据 , 换算转速 自动控制放气活 门 。 发动机故障探测 通过监视发动机参数 , 比较 两 台发 动机 的 」 转速或输 出扭矩 , 探测发动机 的故障 。 发动机故障探测信息 、 扭矩通过数字总线传送到驾驶舱 , 并在 之间交换 。 发动机管理和单台发动机工作条件下 的直升机限制 在双发工作状态 , 发动机 、毛 或 戈 。限制和直升机扭矩限制适用于起飞状态和最大 连续状态 。 在单发工作状态 , 选择的发动机限制和直升机限制同发动机应急工作状态 限 制 。 一 台发动机的 接受到另一 台发动机故障信息 , 限制开关从双发状态切换 到单 发状态 。 驾驶员可作 出如下选择 直 升 机 技 术 年第 期 总第 期 “ 分 秒 ”或 “ 单发连续 ” “ 秒 ”或“ 分钟 ”或“ 单发连续 ” 。 选定后 , 发 动机工作状态被记录下来 , 并告诉驾驶员 , 在驾驶舱显示选择的状态 , 使用 的状态 , 超 出的工作时间 。 在双发或单发工作状态 , 根据 的有效 限制范围计算出可 用功率范 围 , 并在 驾驶舱 内显示潜在 的可用功率 。 发动机故障演示 综合 了发动机故障演示逻辑 。 · 通过单台发动机处于慢车状态 , 模拟发动机故障 。 · 单 台发动机驱动旋翼 。 考虑到发动机损坏限制 , 以真实的单发工作状态和降级 的发 动机限制驾驶直升机 。 在演示状态 , 为了获得象征直升机全载荷状态 的参数 , 直升机的重量有意地减到降级 状态 的对应值 。 一台发动机故障 , 演示模态 自动失效 。 基于发动机故障探测的驾驶指令 根据飞行中的发动机故障探测 , 驾驶 员知悉降低的功能等级 。 有三个等级 · 次要缺陷 探测到余度单元处于故障状态 , 控制功能不降级 , 只是在驾驶舱显示故障 信息 , 飞行结束后 , 发动机控制到慢车状态或关车 。 · 降级模态 探测到故障导致一个或几个功能降级 , 则采用相应的驾驶指令 。 · 总故障 切断燃油流量 。 通讯 通道之间 , 与直升机管理系统之间 , 两 台发动机 的 之 间都具有 通讯功能 , 通过数字总线交换数据 。 维修功能 通过直升机管理系统数据数字交换总线传送相关的维修数据 。 · 故障探测 根据故障探测 , 探测结果 以 编码方式传到直升机管理系统 。 编码指示故 障状态下的功能并得 出需要 的维修等级 。 · 循环计数 在飞行期间 , 自动记录发动机完成 的循环次数 , 飞行结束后更新记录的累 计值 , 计数器的值通过数据总线传到直升机管理系统 。 · 发动机状态监视 在稳定 的飞行 阶段 , 根据驾驶员 的要求 , 计算发动机的工 作点 , 目前的工作状态 , 最小扭矩 , 最大 况 或 几 。以及真实的发动机参数与参考值之间的 偏差 。 这些结果都通过数字总线传到直升机管理系统 。 · 单发工作状态计数 在每台发动机的单发应急状态 , 发动机的数字控制装置 记录一 系列单发工作状态的使用次数 , 累计工作时间 , 目前的工作时间 。 这些计数器的值通过数 字总线传到直升机管理系统 。 系统主要技术要求 直升机发动机 系统技术要求是很复杂的 , 包括安全性与可靠性要求 、 系统性 能要求 、 系统本身的质量要求 。 安全性与可靠性要求 在研制 系统 的全过程中 , 应始终把系统 的安全性和可靠性要求放在首位 , 没 直 升 机 技 术 年第 期 总第 期 有安全性和可靠性 , 则 系统就没有生命力 。 建立安全性要求 以满足直升机管理机构规定的适航性要求 , 把这些要求归结到直升 机发动机全面操纵的要求 。 例如 , 对安全性要求是 仅仅是 由于许多复杂的彼此不相关故 障引起无防备 的超转 , 而事故发生的可能性应不大于 一 ” 。 系统可靠性要求的 目的是 为各种液压 、 电动和 电子硬件组件 、 分组件或元件的设计 建立定量标准线 。 这类要求将规定 · 元部件的容许的事故率应遵守总的安全性要求 。 · 为了改善安全性 , 硬件设计选择在极危险的条件中进行 。 · 对各种组合件 、分组件或元件的故障进行处理时 , 要保证发动机系统总 的机械和 电 动的完整性 在损坏的故障中重新构成的此处能用的控制规律来继续操纵发动机 发生严 重损伤要驾驶员 为维护提供适合的数据 。 对于系统软件可靠性应有极严格的要求 。 即在规定的时间内和规定的环境条件下 , 数字控制器程序无故障运行的概率要高 。 系统必须能避免闪电雷击 、 电磁干扰 、 冰雹 的影响 , 必须 防火 、 防爆 、 防核幅射 和能承受发动机短舱 的高温和强烈振动 。 系统性能要求 在直升机整个飞行包线 内 , 应满足直升机发动机 的全部控制功能 , 采用合适 的控制技术如线性二次型 最优控制 和 回路传输恢 复 技术 , 自适应控 制技术等 , 让发动机在设计极限或靠 近设计极 限上工作 , 保证发动机稳定可靠工作 的 同 时 , 达到最佳性能 。 系统的质量要求 系统装机外型尺寸应控制在直升机的限制尺寸之 内 , 系统质量不得超过主机 分配给的质量指标 。 一般 占整机的 一 巧 。 若采用光纤 传输等先进技术 , 其 目标质 量可降低 。 尽量减少系统的维修量 , 降低成本 。 国外几 种典型直升机发动机控制系统比较 阿赫耶 发动机 , 功率等级为 , 是我国 年代初 引进 的世界较先进的涡轮 轴发动机 , 控制系统采用典型 的液压机械式控制系统 竹 发动机 , 功率等级为 , 发动机控制系统采用典型的监控式控制 发动机 , 功率等级为 , 发动机控制 采用 系统 。 阿赫耶 发动机控制系统主要功能 保证发动机可靠的起动 , 停车和 良好的加速 为直升机安全实现在所有工作状态和飞行条件上 动力涡轮 自动保持转速恒定 保持燃气发生器最大转速值不变 保证装双发时 , 总功率 自动均分给两 台发动机 保证 自动控制的实现 , 或者一旦 自动控制失灵 , 应 急时能准确无误地通过手动操 作油门杆来控制发动机 保证因某种原因出现无载荷 、动力涡轮可能超转时 , 发动机采取相应的安全措施 。 一 发动机控制系统主要功能 , 见 发动机控制系统主要功能 直 升 机 技 术 年第 期 总第 期 自动起动发动机 , 能在飞行 中重新点火 保证发动机 良好的加速 , 有防止使用 中出现超转 、 超温 、超扭与喘振等现象 实现复杂的调节规律 , 并控制燃油流量 控制压气机可变几何系统 即压气机进 口 导向 一 十片位置 显示动力涡轮转速 , 并使其转速在所有工作状态下始终 自动保持恒定 可 中断动力涡轮工作 保持燃气发生器最大转速不变 , 以便在任何时候都能获得最大可用功率 当装双发时 , 能 自动均衡两 台发动机之间的功率 , 当一台发动机故障时 , 能 自动加 , 大另 一 台发动机的功率 。 在正常控制系统失灵时 , 可通过手操纵油门杆应急控制发动机 , 提高其安全度 在飞行期间对发动机控制系统执行运行监控功能 在地面 , 可确定故障的维修等级 。 对 比国外三种典型的直升机发动机控制系统 的主要功能可见 系统的功能最 强大 , 液压机械式控制系统的功能最差 。 另一芳面 , 为了实现直升机对发动机控制系统的 操纵 , 对液压机械式控制系统和监控式电子控制系统 , 还需要在直升机上安装一套复杂的 发动机操纵系统 对于高可靠性的 系统 , 只要通过 电插头对接即可 。 可见 , 系统有着突出的优点 。 结束语 综上所述 , 直升机发动机控制系统由基于经典控制理论 的单变量控制系统发展到基 于现代控制理论的多变量控制系统 , 由机械液压式控制系统发展到数字式电子控制系统 , 由各部分单独控制发展到各部分综合控制 。 基于 的直升机发动机控制 系统 , 使直升机发动机的控制功能得 到很大发展 使直升机飞行准备更容易 , 大大减轻了驾驶员负担 , 直升机的机动性得到改进 。 双发直升 机的单发工作性能得到改进 , 发动机的维修性得到了很大提高 , 拓宽了直升机和发动机的 使用包线 。 因此 , 我们应大力开发 、 应用直升机发动机 系统 。 参 考 文 献 樊思齐等编著 航 空推进系统控制 ‘ 西 安 西北 业大学 出版社 , 年 月 国内外涡轮轴 发动机性 能 、 结构及其技术发展 北 京 蓝天 出版社 , 年 一『 竹 ’ 「「 一 ‘, 一 了 之 , , , 浏。了 肠 。 。。卿 ’ 叩 , , 八、产 即 川 八 , 人 一 一 一 阮 , 一 一 几 , 肠 叩 一 , 以卫, · 月 一 一 一 一 一 一 、 。 日 沙 一 , 一 一 一 职 一