渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)的發(fā)展

寂靜天花板

渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)經(jīng)歷了機械液壓式、模擬電子式、數(shù)字電子式、全權(quán)限數(shù)字式發(fā)動機控制（FADEC）4代產(chǎn)品的發(fā)展歷程，它的發(fā)展還與電子技術(shù)、控制技術(shù)、健康管理技術(shù)的進步緊密相關。成熟的飛/發(fā)一體化控制及健康管理技術(shù)將是未來渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

世界上第一臺航空渦軸發(fā)動機是透博梅卡公司研制的阿都斯特-l發(fā)動機，該發(fā)動機采用的是機械液壓式燃油調(diào)節(jié)器。渦軸發(fā)動機及其控制系統(tǒng)的發(fā)展是相輔相成的：一方面，渦軸發(fā)動機的發(fā)展對控制系統(tǒng)不斷提出新的要求，促使其技術(shù)不斷進步，功能更加完善；另一方面，控制系統(tǒng)的發(fā)展、關鍵技術(shù)的突破也能挖掘渦軸發(fā)動機的潛力，促進渦軸發(fā)動機的發(fā)展。

渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)包括燃油和控制兩大部分。燃油部分有增壓泵、油濾、高壓泵、分配器等；控制部分有燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速控制器、動力渦輪轉(zhuǎn)速恒速器、雙/多發(fā)扭矩匹配器、渦輪前溫度限制器、扭矩限制器、動力渦輪轉(zhuǎn)速超轉(zhuǎn)保護裝置、壓氣機導葉調(diào)節(jié)裝置等。對第一、二代渦軸發(fā)動機而言，控制系統(tǒng)大部分是各自獨立的。對于第三、四代渦軸發(fā)動機的控制系統(tǒng)的大部分組成及功能則進一步集成化，逐漸發(fā)展成電子控制單元（ECU）和液壓機械單元（HMU）兩大塊，但有一些關鍵的部分（如動力渦輪轉(zhuǎn)速超轉(zhuǎn)保護裝置）仍然是相對獨立的。

渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)如下的基本功能：發(fā)動機起動控制、發(fā)動機穩(wěn)態(tài)控制、發(fā)動機加減速控制、動力渦輪轉(zhuǎn)速恒速控制、動力渦輪轉(zhuǎn)速超轉(zhuǎn)保護、燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速限制、燃氣渦輪出口溫度限制、起動過程超溫保護、壓氣機導向葉片角度控制、動力渦輪輸出軸扭矩限制、雙/多發(fā)扭矩匹配控制、單發(fā)應急功能控制、放氣（活門）控制、燃油系統(tǒng)排氣功能、防冰功能。數(shù)字式電子控制系統(tǒng)還要實現(xiàn)發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷與處理、信息存儲和數(shù)據(jù)通信以及地面檢測功能。
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動力渦輪轉(zhuǎn)速恒速控制是渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)的主要功能，也是渦軸發(fā)動機典型的控制方式。不管哪種形式的渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)，動力渦輪轉(zhuǎn)速恒速原理基本相同。當然，在實際控制中，燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速、渦輪前溫度、總距桿位置、扭矩、大氣環(huán)境條件等參數(shù)主要對動力渦輪轉(zhuǎn)速進行限制、修正和設定狀態(tài)。

控制系統(tǒng)發(fā)展概述

半個世紀以來，渦軸發(fā)動機已成功地發(fā)展了4代產(chǎn)品。第一代渦軸發(fā)動機在20世紀50年代至60年代中期研制，以T58-GE-10和阿都斯特II等發(fā)動機為典型代表，控制系統(tǒng)采用機械液壓燃油與控制系統(tǒng)。第二代渦軸發(fā)動機在20世紀60年代中期至70年代中期研制，以阿斯泰祖和T64-GE-6等發(fā)動機為典型代表，控制系統(tǒng)采用模擬電子式。第三代渦軸發(fā)動機在20世紀70年代末至80年代中期研制，以T700-701C和馬基拉等發(fā)動機為典型代表，由于集成電路技術(shù)的出現(xiàn)和應用，使得控制系統(tǒng)大多采用了數(shù)字電子式，并開始了FADEC系統(tǒng)和發(fā)動機健康管理初步功能（狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷等）的研究與應用。第四代渦軸發(fā)動機在20世紀80年代中后期開始研制，到90年代投入使用，以T800和MTR390等發(fā)動機為典型代表，得益于大規(guī)模集成電路和數(shù)控技術(shù)的日益成熟，控制系統(tǒng)廣泛采用FADEC系統(tǒng)，具備相對成熟的健康管理系統(tǒng)。進入21世紀后，超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)以及高性能處理器的發(fā)展，同時發(fā)動機建模仿真技術(shù)、健康管理技術(shù)和飛/發(fā)一體化控制技術(shù)的完善，使得渦軸發(fā)動機FADEC系統(tǒng)技術(shù)進一步成熟。

機械液壓式

加拿大普惠公司的PT6-T6發(fā)動機采用的是典型的機械液壓燃油與控制系統(tǒng)。PT6-T6控制系統(tǒng)由燃油調(diào)節(jié)器、燃油分配器、扭矩限制器、動力渦輪恒速器、雙發(fā)扭矩匹配器組成。其中燃油調(diào)節(jié)器集成了油濾、燃油泵、轉(zhuǎn)速敏感元件、彈簧連桿機構(gòu)、膜盒組件、計量油針、壓差活門、分壓器、調(diào)節(jié)活門、加速活門和壓力波動吸收器等。燃油調(diào)節(jié)器能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機的起動及動力渦輪轉(zhuǎn)速控制。扭矩限制器實現(xiàn)最大扭矩限制，動力渦輪恒速器實現(xiàn)動力渦輪轉(zhuǎn)速恒速、雙發(fā)扭矩匹配器實現(xiàn)雙發(fā)扭矩匹配。PT6-T6發(fā)動機壓氣機導葉不可調(diào)。

模擬電子式

GE公司的T700-701A發(fā)動機控制系統(tǒng)是典型的模擬電子式控制系統(tǒng)。T700-701A控制系統(tǒng)主要由液壓機械裝置（HMU）和模擬式電子控制器（ECU）兩部分組成。HMU安裝在發(fā)動機前附件機匣上，主要由帶計量裝置的泵油系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及自動加速控制系統(tǒng)、VG伺服系統(tǒng)組成。HMU由發(fā)動機前部附件機匣傳動，根據(jù)燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速、離心壓氣機出口壓力、發(fā)動機進口溫度的變化、ECU的配平電信號、可用功率軸（PAS）和負載要求軸（LDS）的角度計量供給發(fā)動機所需的燃油。壓氣機的導葉控制也是由HMU單獨完成。在發(fā)動機運行過程中，一旦電子控制器出現(xiàn)故障，作為備份的HMU進入工作狀態(tài)，實現(xiàn)一些應急功能，保證飛機的安全。

HMU的功能有燃油泵送油、燃油流量計量、通過LDS的角度輸入進行總距補償、加速和減速過程的流量限制、動力渦輪極限轉(zhuǎn)速限制、壓氣機導向葉片角度控制、起動放氣與防冰活門控制、PAS超行程時燃油系統(tǒng)放氣；ECU通過控制力矩馬達調(diào)準動力渦輪轉(zhuǎn)速給定值；ECU故障或不工作時，PAS超控ECU。

ECU的功能是通過輸出電信號來控制HMU中的力矩馬達，在發(fā)動機允許的動力渦輪轉(zhuǎn)速、動力渦輪進口溫度極限范圍內(nèi)對HMU進行調(diào)節(jié)，以便保持動力渦輪轉(zhuǎn)速恒定、雙發(fā)扭矩平衡，另外ECU還具備動力渦輪轉(zhuǎn)速超轉(zhuǎn)保護、起動超溫保護，向歷史記錄儀和駕駛艙提供所需信號等功能。

數(shù)字電子式

T700-701C發(fā)動機控制系統(tǒng)是數(shù)字電子式控制系統(tǒng)的典型代表，T700-701C發(fā)動機控制系統(tǒng)是在T700-701A控制系統(tǒng)發(fā)展來的，其組成功能類似，也是由電子控制器和HMU兩部分組成，但電子控制器已由模擬電子式發(fā)展成數(shù)字電子式（DECU）。

T700-701C控制系統(tǒng)除實現(xiàn)T700-701A控制功能外，還具備初步的健康管理系統(tǒng)功能。傳感器、DECU、歷史記錄儀、地面檢測裝置及指示報警裝置等構(gòu)成一個健康管理系統(tǒng)的雛形，能進行基本的狀態(tài)監(jiān)視，完成一些重要的故障診斷。DECU實現(xiàn)的初步健康管理功能有BIT測試、DECU各模塊的測試、傳感器的檢測、執(zhí)行機構(gòu)的檢測，將歷史數(shù)據(jù)及狀態(tài)記錄在非易失存儲器中，通過串口通信進行實時或歷史數(shù)據(jù)及狀態(tài)的傳輸實現(xiàn)各種信號的監(jiān)視，駕駛艙儀表指示（扭矩、溫度及故障信息等）。

歷史記錄儀包含4個計數(shù)器，DECU根據(jù)采集參數(shù)進行計算判斷，驅(qū)動歷史記錄儀記錄LCF1（1號低循環(huán)疲勞）、 LCF2（2號低循環(huán)疲勞）、發(fā)動機運行時間及發(fā)動機溫度時間指數(shù)等4個歷史參數(shù)。這4個參數(shù)直接反映發(fā)動機的壽命及運行情況。T700-701C發(fā)動機還包括一些指示報警裝置，如燃油、滑油濾堵塞指示報警等。

FADEC

FADEC系統(tǒng)也是由電子控制器和液壓執(zhí)行機構(gòu)組成。渦軸發(fā)動機FADEC系統(tǒng)典型特點是余度設計。電子控制器由雙余度的數(shù)字電子控制通道組成，傳感器采用雙余度或多余度，液壓執(zhí)行機構(gòu)也采用余度結(jié)構(gòu)。電子控制器每個數(shù)控通道進行信號采集、數(shù)據(jù)處理、發(fā)動機機載模型計算及故障診斷等，能獨立地控制液壓執(zhí)行機構(gòu)，當一個數(shù)控通道出現(xiàn)故障時，能自動切換到另一個通道。通道間進行數(shù)據(jù)交換，在必要情況下還能實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)。FADEC提高了系統(tǒng)的可靠性，可以判斷出更加合理的故障模式及作出相應的對策。采用FADEC系統(tǒng)的渦軸發(fā)動機有GE公司的T800發(fā)動機和中法合作研制的WZ16發(fā)動機等。

發(fā)展趨勢

根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)役和在研渦軸發(fā)動機及其控制系統(tǒng)分析，預計渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)未來將向具有成熟的飛/發(fā)一體化控制及健康管理技術(shù)的FADEC系統(tǒng)發(fā)展。

隨著渦軸發(fā)動機的高速發(fā)展，控制系統(tǒng)的功能要求日趨強大，需要采集的信號及處理的數(shù)據(jù)越來越多，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)電子控制器采用傳統(tǒng)處理器（如英特爾的80386、摩托羅拉的MC68332）無論從通道數(shù)，還是速度、容量上都已不能滿足要求，采用高性能處理器PowerPC（MPC555或MPC556)是渦軸發(fā)動機FADEC系統(tǒng)發(fā)展趨勢。目前對基于PowerPC（MPC555或MPC556）的電子控制器的研究與應用正在進行中，如GE公司的701D發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)已成功采用MPC555。

渦軸發(fā)動機的發(fā)展也會促進高精度、小型化、集成化的傳感器及執(zhí)行機構(gòu)的應用研究，會對建模仿真技術(shù)、飛/發(fā)一體化控制技術(shù)提出了新的要求。渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)采用飛/發(fā)一體化技術(shù)能夠最大限度地挖掘渦軸發(fā)動機的潛力，優(yōu)化發(fā)動機與飛機的性能。20世紀末，美國已在裝有T64-GE-415、250-C30兩型發(fā)動機的CH-53E、S-76直升機進行了飛/發(fā)一體化控制設計及研究。歐洲的RTM322發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)也采用直升機飛/發(fā)一體化控制技術(shù)。飛/發(fā)一體化控制技術(shù)是渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)發(fā)展的方向之一。

為了使航空發(fā)動機安全高效地運行，節(jié)省維修成本，就必須了解發(fā)動機的運行狀況，掌握其變化規(guī)律，對關鍵部件實施狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷是保障飛機和發(fā)動機安全可靠運行的必要條件。傳統(tǒng)的定期維修方式不但耗費資源，而且效率低下，費用也居高不下。基于狀態(tài)的維修（CBM）——視情維修，具有規(guī)模小、效率高、經(jīng)濟性好以及可避免重大災難性事故等顯著優(yōu)勢，是航空發(fā)動機必然發(fā)展的先進維修思想和維修方式。

視情維修要求航空發(fā)動機具有對自身故障的預測能力，并具有對健康狀態(tài)進行管理的能力。健康管理系統(tǒng)是航空發(fā)動機視情維修的前提。進入21世紀后，超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，高性能處理器及大容量存貯器件的成熟應用，航空發(fā)動機控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力更強，信息容量更大，同時微弱信號識別、故障模式及診斷、壽命預測及管理等技術(shù)的進步完善，使得健康管理技術(shù)日臻成熟。作為發(fā)動機控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分，健康管理系統(tǒng)的發(fā)展方向是對獲取到的發(fā)動機數(shù)據(jù)信息進行綜合分析，評估發(fā)動機的健康狀態(tài)并提出維修建議，最終實現(xiàn)對發(fā)動機的視情維修。

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