航空發動機控制系統

飛機要在不同的高度和速度下飛行，為了在飛行中保持發動機的給定工作狀態，或者按照所要求的規律改變工作狀態，都必須對發動機進行控制。所有這些只有依靠自動控制系統來完成。

基本介紹

• 中文名：航空發動機控制系統
• 外文名：Aero engine control system
• 學科：航空工程
• 領域：理論技術
• 範圍：控制系統

簡介

飛機要在不同的高度和速度下飛行，為了在飛行中保持發動機的給定工作狀態，或者按照所要求的規律改變工作狀態，都必須對發動機進行控制。所有這些只有依靠自動控制系統來完成。

隨著航空技術的發展，要求不斷地提高，控制系統也由最初活塞式發動機改變螺旋槳槳距的轉速自動調節器發展到燃氣渦輪發動機的轉速、溫度、油量、起動、加速等控制系統，以及保證發動機安全工作的防喘裝置，超溫、超轉限制器等。而且由於發動機性能提高，對控制也提出更多、更嚴格的要求。比起過去，今天需要對更多的被控參數進行更精確的控制，需要進行推力管理、系統控制、故障監視等，所有這些都使發動機的控斜系統成為一個複雜的、多迴路的控制和管理系統。

發動機自動控制的意義

發動機自動控制的意義十分重要，發動機的各種特性要靠它來實現，發動機的可靠性要由它來保證，而且發動機試車及外場維護工作中遇到的問題及性能故障大部分與它有關。因此，控制系統對保證發動機性能和安全都起著關鍵性的作用。

對航空發動機控制系統的基本要求

由於飛行包線的擴展，使發動機的特性變化很大。在此範圍內，要高性能地滿足飛機在各種飛行條件下的需要，可控變數就要多，控制系統也很複雜，不同類型，不同用途的發動機對控制系統的要求也不盡相同，而下述幾個方面是最基本的要求。

（1）保證最有效地使用發動機；

（2）穩定工作，控制精度高；

（3）良好的動態品質；

（4）可靠性高，維護性好；

（5）可更改性好，滿足先進發動機對控制不斷增加的要求；

（6）控制系統結構簡單，重量輕，體積小，安裝方便等。

航空發動機控制的內容

隨著航空發動機技術的發展，發動機控制承擔的任務越來越多，包括以下內容:

（1）燃油流量控制

根據發動機的不同狀態(包括起動、加速、穩態、減速、反推等)，將清潔的，無蒸氣的、經過增壓的、計量好的燃油供給燃燒室。在控制中要求：不能喘振;不能超溫;不能超轉;不能富油熄火;不能貧油熄火。這就是所謂的推力控制、過渡控制和安全限制。

（2）空氣品質流量控制

對流經發動機的空氣品質流量進行控制，以保證壓氣機工作的穩定性。它包括可調靜子葉片(VSV)和放氣活門(VBV)等。

（3）渦輪間隙控制

控制高壓渦輪，甚至包括低壓渦輪的轉子葉片和機匣之間的間隙，以保證在各個工作狀態下間隙為最佳，減少漏氣損失，提高發動機性能。

（4）冷卻控制

它包括兩個方面:一是燃、滑油溫度的管理，保證滑油的充分散熱及燃油既不結冰又不過熱。根據燃油、滑油溫度的情況，決定各個熱交換器的工作方式。二是以最少的引氣量，控制發動機部件的冷卻，同時提高發動機性能。

（5）渦槳、渦軸發動機控制

它包括螺旋槳調速器、動力渦輪轉速調節器、多發動機負載匹配控制等。

（6）超聲速飛機控制

超聲速飛機所配備的發動機進氣道和尾噴口面積控制，以保證各部件相互之間匹配工作。

發動機控制的基本概念

燃油控制系統根據油門桿位置、飛行條件和大氣條件，按照預定的控制方案控制燃油質量流量(FF)。發動機的控制方案是指根據外界干擾(主要反映在飛行高度和速度的變化)或駕駛員指令來改變可控變數，以保證發動機被控參數不變或按預定的規律變化，從而達到控制發動機推力的目的。控制方案也稱調節規律或調節計畫。調節燃油質量流量，保證n=常數是一種最常用的控制方案。

發動機的控制系統由控制系統和被控對象組成，控制系統的主要元件有敏感元件、放大元件、執行元件、供油元件等。

閉環控制系統

閉環控制系統的被控對象的輸出量就是控制器的輸入量；而控制器的輸出量是被控對象的輸入量，在結構方塊圖上，信號傳遞的途徑形成一個封閉的迴路。

敏感元件是離心飛重，其功用是感受發動機的實際轉速;指令機構是油門桿，它通過傳動臂，齒輪，齒套等來改變調準彈簧力，確定轉速的給定值;推力桿經鋼索、連桿聯到燃油控制器上的功率桿。

放大元件是分油活門和隨動活塞。分油活門的位置由離心飛重的軸向力與指令機構給定的調準彈簧力比較後的差值決定;執行元件是隨動活塞，它控制柱塞泵斜盤的角度，從而改變供油量;供油元件是燃油泵。

發動機穩定工作時，發動機的轉速和給定值相等，分油活門處於中立位置，控制器各部分都處於相對靜止狀態。

當外界條件變化引起進入發動機的空氣品質流量減少時，由於供油量未變，使提高，渦輪功增大，發動機的轉速增加，使敏感元件離心飛重的離心力變大，作用於分油或門上的軸向力大於調準彈簧力，分油活門向上移動，將分油活門兩個突肩堵住的上下兩條油路打開，隨動活塞的上腔與高壓油路相通，下腔與回油路相通，隨動活塞向下移動。柱塞泵的斜盤角變小，供油量減少，使轉速恢復到給定值。

當外界條件變化引起進入發動機的空氣品質流量增加時，則調節過程相反。

開環控制

被控對象的輸出量是發動機的轉速，控制器的輸入量是干擾量；而控制器的輸出量是燃油質量流量，所以控制器與發動機的關係以及信號傳遞的關係形成一個開路，故稱為開環控制系統。

敏感元件為膜盒，感受進氣總壓;進氣總壓是飛行高度和飛行馬赫數的函式;油門桿為指令機構，通過傳動臂、齒輪、齒套等來改變調準彈簧力，確定轉速的給定值;放大元件為檔板活門，檔板通過與膜盒相連的槓桿的作用來改變其開度;執行元件為隨動活塞，它控制柱塞泵斜盤的角度，從而改變供油量;供油元件為柱塞泵。

當飛行高度增加時，進入發動機的空氣品質流量減少，控制器和膜盒同時感受到這一干擾量的變化，於是膜盒膨脹，通過槓桿使檔板活門的開度增大，隨動活塞上腔的放油量增大，使隨動活塞上移，並帶動柱塞泵的斜盤角變小，供油量減少與空氣品質流量的減少相適應，從而保持轉速不變。

複合控制

複合控制系統是開環和閉環控制的組合控制系統。這種控制系統兼有開環和閉環控制系統的優點，即控制及時(回響快)又準確(精度高)，工作穩定，但控制器的結構較複雜。

發動機控制系統分類

（1）液壓機械式

液壓機械式及氣動機械式燃油控制器仍然是目前為止民用航空發動機上使用最多的控制器。它有良好的使用經驗和較高的可靠性。除控制供往燃燒室的燃油外，還可操縱控制發動機可變幾何形狀，例如可調靜子葉片、放氣活門、放氣帶等，保證發動機工作穩定和提高發動初性能。

（2）監控型電子式

作為從液壓機械式控制向數字電子控制的過渡，出現了監控型發動機電子控制器。這是在原有的液壓機械式控制器基礎上，再增加一個發動機電子控制器(EEC)，兩者共同實施對發動機的控制。

（3）全功能數字電子式

全許可權(全功能)數字電子控制(FADEC)是發動機控制發展的最新水平，也是今後發展的方向。民航發動機控制越來越多採用FADEC，如PW4000，V2500，RB211-524等。

FADEC系統是管理髮動機控制的所有控制系統的總稱。在FADEC控制中，發動機電子控制器EEC或電子控制系統ECU是它的核心，所有控制計算由計算機進行，然後通過電液伺服機構輸出控制液壓機械裝置及各個活門、作動器等，因此液壓機械裝置是它的執行機構。