某型航空发动机桨速调节器设计研究

杨明潇,张树柏,吴 超

(中国航发北京航科发动机控制系统科技有限公司,北京 100220)

1 引言

桨速调节器是航空发动机螺旋桨变距控制系统的核心部件。其工作原理是通过调节螺旋桨变距腔里的控制滑油流通方向,改变螺旋桨桨距[1]。正常工作状态下,发动机数控系统采集螺旋桨桨速及桨叶角的大小,当飞机需要变换飞行姿态时,数控系统发出指令,桨速调节器通过调节自身活门开度改变螺旋桨变距腔的供油状态,实现螺旋桨桨距的控制[2]。

目前,针对桨速调节器的研究较少。大多数桨速调节器采用离心飞重控制方式,如图1。该方案缺点主要有:

图1 机械式桨速调节器原理框图

1)不宜在低转速范围内工作。在工作过程中传动机构带动离心块旋转产生离心力,由于离心力与NG转速的平方成正比,故在小转速下,灵敏度较小。

2)存在偏离影响

由于零件之间是间隙配合,在实际工作过程中容易出现分油活门实际位移与产品调试过程中标定位移不一致的情况,造成桨速调节器供油量不足或提前放油,进而使得螺旋桨桨速下降,无法实现螺旋桨目标飞行姿态。

3)容易发生卡滞。该方案在反桨过程中采用的是电液伺服阀供油,且电液伺服阀前没有油滤,油液中的杂质容易在电液伺服阀内聚集发生卡滞。

针对上述问题,本文基于产品研制需求,提出采用电控方式实现对发动机螺旋桨变距腔供油的设计方案,从而以较快速度改变螺旋桨桨距,达到飞机工作状态要求。在研制方案上增加了反桨电磁阀、顺桨电磁阀,从而提高产品的可靠性。

2 桨速调节器工作原理及建模

2.1 组成及工作原理

电控桨速调节器由滑油增压系统和桨速调节系统组成,通过电液伺服阀控制分油活门开度,实现对螺旋桨变距腔供油状态的控制。其工作原理框图见图2。

桨速调节器通过调节螺旋桨活塞缸(变距腔)里的控制滑油实现螺旋桨桨距控制。发动机螺旋桨主要有三种工作状态即顺桨、反桨和保持状态。

当螺旋桨处于顺桨状态时,螺旋桨桨距逐渐增大,此时活塞缸(变距腔)里的控制滑油将逐渐减少,流回油箱。当处于反桨状态时,螺旋桨桨距逐渐减少,此时桨速调节器出口与活塞缸进口连通,将增压滑油供给活塞缸实现反桨。当螺旋桨桨距需要保持当前状态时,桨速调节器出口与活塞缸的进口之间将会切断,同时保持活塞缸当前压力,防止活塞缸现有滑油流出。

滑油增压系统由齿轮泵和安全活门组成,低压油经过齿轮泵的增压后,达到系统要求的工作压力,安全活门保证最大工作压力不超过产品许用极限。

桨速调节系统包括β活门、反桨电磁阀、顺桨电磁阀、电液伺服阀、分油活门。正常工作时,电液伺服阀接收电子控制器指令调节分油活门阀芯位置改变滑油增压系统与螺旋桨变距腔油路的连通关系,调整变距腔运动状态,进而改变螺旋桨桨距,使桨速发生变化。与螺旋桨连接的传感器采集转速信号反馈给电子控制器形成闭环控制。当转速到达期望值时,电液伺服阀控制分油活门阀芯关闭,切断变距腔油路,桨距维持在当前值,转速达到平衡。β活门通过反桨杠杆连接到螺旋桨反馈环,在螺旋桨进入小桨距模式时,β活门关闭,切断变距腔滑油供给,阻止螺旋桨桨距进一步变小。当需要反桨情况时,反桨电磁阀打开,将β活门油路切断,将泵后滑油直接供给至分油活门,同时电子控制器通过指令控制分油活门处于最大打开状态,实现快速反桨功能。当需要紧急顺桨情况时,顺桨电磁阀打开,螺旋桨变距腔里的滑油通过顺桨电磁阀流回油箱,实现快速顺桨功能。

2.2 主要部件数学模型

2.2.1 齿轮泵

齿轮泵通过齿轮的啮合运转将机械能转换为油液的液压能[3]。由于齿轮泵在燃油泵调节器中应用十分广泛,在桨速调节器中同样使用齿轮泵作为滑油的主要增压元件。同时由于桨速调节器使用滑油作为传输介质的特点,降低了齿轮泵出现扫膛的概率,有效避免了由此产生的污染物对下游活门的影响。齿轮泵流量的数学模型为

Q实际=7Zm2Bnην

(1)

式中Z为齿轮齿数,m为齿轮模数,B为齿轮齿宽,n为桨速调节器额定转速,ην为容积效率。

2.2.2 安全活门

安全活门由阀芯、阀套、压缩弹簧、调整垫片等部分组成,其作用是在泵后压力过大时,活门打开,把一部分泵后油排至油泵进口,从而降低泵后压力,使泵后压力稳定在工作范围内。

安全活门的最大流量计算公式为

(2)

式中Qmax为安全活门的最大流量;μ-滑油流量系数;A为安全活门的过流面积;ΔP为安全活门进出口压差;ρ为滑油密度。

式(2)中过流面积可以根据阀芯的位移量进行计算,其计算公式如下

(3)

式中r为安全活门过流孔直径。

2.2.3β活门

β活门是桨速调节器另一个安全活门,其作用是当发动机螺旋桨达到平衡位置(一般螺旋桨桨距角在18°左右位置)时,当电液伺服阀发生故障,使得分油活门无法关闭,此时连杆机构控制β活门阀芯,使得阀芯与阀套之间的过流面积为零,切断油,使得螺旋桨桨速维持在平衡位置。

根据桨速调节器工作原理,为保证桨速调节器供油量满足发动机螺旋桨使用需求,需对桨速调节器整体泄漏量进行分析。β活门因其结构形式为阀芯阀套间隙配合,故对其泄漏量进行计算。

β活门泄漏量计算公式为

(4)

其中d是β活门孔直径,δ是缝隙量,L是缝隙长度。

2.2.4 电液伺服阀

电液伺服阀是桨速调节器的控制元件,按照设计方案,电液伺服阀通过反馈电流输出不同压力的伺服滑油作用于分油活门的阀芯,通过阀芯的位移与阀套的型孔形成过流面积,从而实现对螺旋桨变距腔的供油。

在电液伺服阀选型过程中,需要根据分油活门阀芯的初始受力情况计算电液伺服阀工作压力。

PA=Kx

(5)

式中P为电液伺服阀的伺服油压力,A为伺服油作用阀芯的接触面积,K为分油活门弹簧刚度,x弹簧的预压缩量。

2.2.5 分油活门

分油活门由活门、弹簧和调整螺钉组成。其工作过程为电液伺服阀根据发动机的控制信号调节分油活门出口的开度,提供发动机不同状态时所需要的滑油。当发动机处于稳态时,分油活门的阀芯将出油口完全关闭,保持螺旋桨液压缸的压力。当螺旋桨桨距变大即液压缸压力减小时,电液伺服阀增大控制油压,增大阀芯与阀套的相对位移,使进油口和出油口的相对开度增大,提高液压缸的压力,减小桨距。当螺旋桨桨距变小时即液压缸压力增大时,电液伺服阀减小控制油压,阀芯与阀套的相对位移减少,关闭进油口,使液压缸油路与出油口相通,对液压缸进行泄压。当螺旋桨桨距达到要求值时,关闭油路。分油活门阀芯的力平衡方程为

(6)

式中Fc为电液伺服阀输出的伺服油压力对阀芯的作用力,B为粘性阻尼系数,x为弹簧压缩量(cm),K为弹簧刚度(N/cm),Fs为稳态液动力(N),M为分油活门和弹簧的等效质量[4]。

3 仿真模型搭建

根据桨速调节器工作原理,使用AMESim仿真软件搭建桨速调节器液压系统仿真模型[5],如图3所示。

图3 桨速调节器AMESim仿真模型

该模型包括桨速调节器所有功能模块:、齿轮泵、安全活门、反桨电磁阀、β活门、电液伺服阀输出控制油压、分油活门、顺桨电磁阀以及螺旋桨变距腔[6]。

4 仿真结果分析

4.1 正常工作状态仿真

桨速调节工作状态是滑油箱当中的低压滑油通过齿轮泵增压进入反桨电磁阀,此时反桨电磁阀未通电β活门完全打开。滑油通过反桨电磁阀进入β活门。滑油流出β活门后有一小部分滑油经过滑油滤进入电液伺服阀,输出稳定压力的控制油推动分油活门阀芯移动。绝大部分滑油经分油活门后进入螺旋将变距腔。

按照设计要求,正常工作状态下螺旋桨变距腔需要在10秒内充满。且正常工作状态下出口滑油压力要在2.34-2.62Mpa范围内。依据图4图5仿真结果可以得出,螺旋桨变距腔在5.8秒内充满出口滑油压力为2.47MPa,满足设计要求。

图4 正常工作状态仿真结果

图5 出口压力仿真结果

图6 Amesim仿真结果

图7 Amesim仿真结果

图8 Amesim仿真结果

图9 Amesim仿真结果

4.2 总供油流量检查

总供油量是指当桨速调节器转速最大的情况下,出口流量的大小。是衡量产品供油能力的硬性指标。

将进口油压设置为0.4MPa,转速设置为4089r/min,检查产品出口流量。

由仿真结果可知,当转速为4089r/min,滑油进口压力为0.4MPa,产品出口量流量为10.64L/min,满足设计要求。

4.3 出口反压检查

将出口油压设置为2.31MPa,进口油压设置为0.4MPa,转速设置为4000r/min,检查产品出口流量。

由仿真结果可知,当转速为4000r/min,滑油进口压力为0.4MPa,出口压力为2.31MPa时,产品出口流量为10.43L/min,满足设计要求。

4.4 反桨功能检查

在螺旋桨处于“小距”状态下,此时为避免桨距进一步变小,β活门处于关闭状态。当发动机螺旋桨需要反桨时,桨速调节器中反桨电磁阀打开,直接将最大状态的滑油供给分油活门,加快反桨速率。

改变反桨电磁阀模型输入信号,模拟电磁阀通电状态,进口油压设置为0.5MPa,转速设置为1300r/min,记录变距腔的作动时间。

由仿真结果可知,该方案能够通过电磁阀改变供油油路,实现螺旋桨反桨功能。

4.5 顺桨功能检查

当分油活门因故障无法打开,桨距无法增大时,顺桨电磁阀通电,变距腔里的滑油通过顺桨电磁阀流回到滑油箱,进而实现桨距增大。

改变电液伺服阀模型输入信号,使分油活门阀芯复位;同时改变顺桨电磁阀模型输入信号使电磁阀通电。

由仿真结果可知,该方案具备当分油活门故障的情况下对变距腔的放油,实现应急顺桨功能。

5 结论

本文提出了一套采用电液伺服阀控制分油活门开度的桨速调节器设计方案,搭配不同种电磁阀实现快速反桨及应急顺桨功能。该方案的创新性主要有:

1)产品不再沿用离心飞重式控制,采用多个电子元件控制活门,充分与发动机电子控制系统相匹配;

2)设置多个安全保护活门,可以应对不同类型的失效情况,提升了产品可靠性;

通过仿真结果,设计方案满足技术协议要求,具有一定的准确性。可以为后续桨速调节器设计提供参考。