某型发动机喷口临界界面面积控制系统故障模式研究

■ 吴腾飞 韩振超 王谦 张国红 唐建根 彭文杰/

1成都航利（集团）实业有限公司 2空装成都局某军事代表室

0 引言

某型航空发动机为军用双转子加力涡轮风扇发动机，尾喷管采用超声速收扩喷管。喷管的临界界面面积决定于发动机工作状态的变化，由喷口控制系统全状态自动调节发动机不同工作状态下的喷口位置。该型航空发动机喷口控制系统采用的是带液压机械备份的全权限数字式电子控制系统，涉及输入输出参数多，包含电子电器元件、液压执行元件，喷口过程控制复杂，发动机使用过程中喷口控制系统故障频发。喷口控制异常将导致发动机转速下降、推力不稳定，影响飞行安全。

1 喷口临界界面面积控制原理

数控系统正常工作时，由全权限数字电子控制系统完成喷口临界界面面积控制（见图1）；数控系统故障时，由液压机械备份控制系统完成喷口临界界面面积控制（见图2）。

图1 喷口数控状态控制逻辑图

图2 喷口备份状态控制原理图

1.1 数控状态控制原理

中间状态以下状态的喷口控制采用开环加增稳的控制方式，由N1和T1按照调节计划计算出Lndem，通过“开环/闭环模式选择”模块提供给控制器PID控制算法。控制器根据当前的Lndem输入计算出所需的PWM，通过驱动电路提供给高速电磁阀来控制分油活门，通过分油活门的放大驱动作用控制喷口作动筒，从而达到控制喷口面积的目的。

中间及以上状态的喷口控制按πT＝f(T1)的规律进行闭环控制。由T1按照此规律得到ΔπT，提供给PID控制算法得出Lndem，同时T1和限速后的PLA经A8前馈放大K倍后得出ΔLndem，二者相加后提供给Ln小闭环内的PID控制算法。控制器根据当前的Lndem输入计算出所需的PWM并通过驱动电路提供给高速电磁阀，通过它来控制分油活门，从而改变有杆腔和无杆腔的压力，使得喷口动作。为防止发动机喘振，加力状态喷口面积最小值不会小于前馈线。

1.2 备份状态控制原理

转为机械液压备份控制时，电调/备份活门压力油供向转换活门，喷口控制电磁阀断电，关闭该控制油路，分油活门控制腔压力由定ΠT调节器的喷嘴挡板活门控制，可实现喷口控制的平稳过渡。

当油门杆位置大于62°时，油门杆上的开关关闭了慢车活门下端弹簧腔回油路，慢车活门在油压力和弹簧力的作用下向上移动，切断了定压油通往关断活门的油路，节流状态喷口控制活门退出工作，由落压比控制器按P31、P6和T1变化控制喷口面积。

当从最大状态收油门，油门杆角度小于60°时，油门上的开关打开慢车活门下端弹簧腔的回油路，慢车活门向下端移动，打开定压油通往关断活门右腔的油路，关断活门左移使挡板活门开度减小，慢车活门下移，喷口面积关小为小喷口。

由于备份状态无着陆收喷口功能，备份状态下油门杆角度小于60°时均为小喷口，停车过程中放为大喷口。

2 喷口临界界面面积控制系统组成

喷口临界界面面积控制系统主要由用于状态控制与监控的数字电子控制器、用于执行与备份控制的喷口加力调节器和用于参数测量的喷口角位移传感器组成，如图3所示。

图3 喷口控制系统组成

2.1 数字电子控制器

1）工作原理

数字电子控制器采用硬件相似双余度设计技术，由两个完全相同的独立数控通道组成。每个通道均包含输入模块、控制模块、输出模块、总线接口模块和电源模块。两个通道还共用一个故障切换模块。

双余度数字电子控制器采用一个通道主控、另一个通道处于热备份状态，即同时处在执行同一个任务的热运行当中的工作方式。这两个通道通过数据接口相互交换信息。传感器输入信号经A/D转换后，由CPU通过软件进行输入信息的余度管理，取表决值进行控制律计算。将计算结果通过高速数据通信进行通道之间的交叉数据传输，由软件进行输出信息的余度管理。取表决值作为控制指令输出给执行机构，实现发动机喷口临界界面面积的控制。

故障切换模块用于实现通道/余度计算机之间故障的指示及故障切换。当任一通道中的任一模块出现故障时，能无扰动地切换到与之相对应的另一热备份模块代替工作，重构系统。当两个同种功能的模块均出现故障时，数字电子控制器退出工作，系统切换到液压机械备份调节器工作。双通道均正常时按轮转方式主控（见图4）。

图4 双通道数字式电子控制器原理图

2）相关控制参数

喷口临界界面面积的控制涉及的参数主要有：测量的T1、N1、N2、PLA、P31、P6、PWMLn作为控制器形成目标值的输入；测量的D8、Ln作为实际输出值的反馈。具体参数特性见表1。

表1 相关参数

2.2 喷口加力调节器

1）喷口高速电磁阀

数字电子控制器根据位移给定和位移反馈的差值经PI调节后输出占空比信号，控制高速电磁阀的回油流量，实现对喷口控制机构分流活门的控制。系统平衡状态时占空比值为某一固定值，该值被称为平衡占空比，通常为50%±8%。在控制器PI固定的情况下，进出口油嘴、高速电磁阀之间需要具有一定的匹配关系，才能保证控制系统的控制品质。

2）喷口控制活门组件

喷口控制活门组件的功能是按发动机不同状态的控制规律，通过上腔燃油压力的变化，调节喷口控制活门组件的相对位置，依据输入的活门相对衬套的位移量将喷口油源泵后压力分配输出到喷口作动筒的两腔，改变进入液压作动筒有杆腔和无杆腔的燃油流量，实现喷口临界界面面积的控制。喷口控制活门组件属于控制执行组件，在数控与备份控制时均进行工作。

2.3 喷口角位移传感器

喷口角位移传感器安装在发动机喷口反馈系统中，与数字电子控制器中的喷口直径测量电路完成喷口直径D8的测量，角度测量范围为±40°。

3 故障模式分析与故障排查流程图

通过对喷口临界界面面积控制原理和组成的分析，建立喷口控制异常故障树（见图5），梳理各故障对应的部附件及部附件可能存在的故障，再根据故障模式分析结果制订排故流程图，如图6～图9所示。

图5 喷口临界界面面积控制异常分析故障树

图6 喷口调节通道故障排除程序

图7 pit摆动故障排除程序

图8 喷口控制摆动故障排除程序

图9 备份喷口控制异常故障排除程序

4 结束语

本文通过系统分析某型发动机喷口控制系统各功能模块的工作原理以及控制特性，为发动机出现喷口临界界面面积控制异常故障时的排除方法与故障定位提供了可借鉴的思路及方法，有利于发动机的使用及维护，可产生一定的经济与军事效益。