王兆銘 ,榮芹芳 ,郝彬彬 ,巴德純
(1.東北大學機械工程與自動化學院,沈陽 110004;2.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所,沈陽 110015)
燃油系統(tǒng)是燃氣輪機的重要組成部分,其性能優(yōu)劣對燃氣輪機工作狀態(tài)有直接影響。葉片角度控制精確度對燃氣輪機性能和安全起著至關重要的作用[1]。
燃油及葉片角控制系統(tǒng)與電子控制器共同構成全權限數(shù)控系統(tǒng)。在該系統(tǒng)設計中,仿真軟件起到越來越重要的作用。據(jù)報道,國外發(fā)動機控制系統(tǒng)的研制工作有90%以上是由數(shù)值仿真和回路仿真完成的。因此,應用仿真軟件可進行系統(tǒng)設計、分析和優(yōu)化,能夠縮短燃氣輪機研制周期,降低研制成本。
本文提出了燃油及葉片控制系統(tǒng)方案,并采用AMESim仿真軟件進行了供油規(guī)律及應急控制規(guī)律仿真分析,為其詳細結構設計提供了依據(jù),大大縮短了該系統(tǒng)研制周期。
(1)與電子控制器共同實現(xiàn)從起動到最大狀態(tài)的燃油流量控制;
(2)與電子控制器共同實現(xiàn)對低壓0級、Ⅰ級、Ⅱ級和高壓壓氣機靜子葉片的角度控制;
(3)具有應急斷油功能,保證燃氣輪機在發(fā)生故障時緊急停車,或系統(tǒng)斷電時快速切斷燃氣輪機的供油;
(4)限制系統(tǒng)最大壓力,避免系統(tǒng)發(fā)生故障時壓力過高;
(5)具有停車放油功能,即燃氣輪機正常停車后,自動將燃油總管中的余油放至漏油箱。
燃油及葉片角控制系統(tǒng)方案由高壓燃油泵、燃油控制裝置、放油電磁閥、安全閥和葉片角控制裝置等元件組成,實現(xiàn)對燃油流量及葉片角等的控制。其原理如圖1所示。
高壓燃油泵安裝在燃氣輪機附件機匣上,與燃油控制裝置和葉片控制裝置通過管路連接,燃油控制裝置及葉片控制裝置與電子控制器構成全權限數(shù)控系統(tǒng)。高壓燃油泵的功能是向燃油控制裝置提供一定流量的高壓燃油,滿足燃油控制裝置調節(jié)流量所需要的燃油流量和壓力。燃油泵采用柱塞泵,作為定量泵使用,泵輸出的流量與轉速成正比。
燃油控制裝置由計量活門、壓差回油活門、電液伺服閥、定壓活門、放氣活門、應急電磁閥和放油電磁閥等元件組成,實現(xiàn)對燃油流量的控制。
壓差回油活門保持計量活門前、后的壓差恒定,使供油流量與計量活門的位置嚴格對應;電液伺服閥控制計量活門的開度,使計量活門穩(wěn)定工作在需要的開度位置;放油活門用于發(fā)動機停車時將燃油總管中的燃油排至漏油箱,避免發(fā)動機內部積油;定壓活門用于提供定壓油;放氣活門用于排出殼體內的空氣,消除空氣對燃油系統(tǒng)性能的不利影響,內部還設有多個油濾,以保護內部的精密元件。
應急電磁閥正常工作時通電,將進、出口關閉,在正常停車或緊急停車時,應急閥斷電使計量活門在短時間內關閉。
放油電磁閥正常工作時通電,停車時斷電將分布器前的燃油快速放回低壓區(qū)。放油電磁閥和應急閥單獨工作時都具備迅速切斷供油的能力,二者同時使用可以提高停車斷油的可靠性。
葉片角控制裝置采用4個電液伺服閥實現(xiàn)對風扇和壓氣機葉片角度的控制功能。
1.3.1 流量控制原理
電子控制器按燃氣輪機工作狀態(tài)需求輸出計量活門位移給定信號,并與計量活門位移反饋信號相比較,得到電液伺服閥控制電信號,電液伺服閥控制計量活門的開度,使計量活門穩(wěn)定工作在需要的開度位置,達到控制燃氣輪機在不同狀態(tài)下所需燃油流量,構成閉環(huán)控制回路。
1.3.2 葉片角控制原理
由泵后高壓油提供油源,電子控制器根據(jù)燃氣輪機工作狀態(tài)需求輸出葉片角角度給定信號,與葉片角裝置上的位移傳感器反饋信號相比較后,得到電液伺服閥控制電信號,電液伺服閥控制作動筒腔壓力,從而改變葉片角角度,構成閉環(huán)控制回路。系統(tǒng)控制原理如圖2所示。
建立燃油及葉片角度控制系統(tǒng)仿真模型是研究燃氣輪機控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一。利用仿真技術可以對控制系統(tǒng)的各項性能進行分析和評估[2]。本文采用AMESim軟件建立系統(tǒng)仿真模型并進行仿真研究。AMESim軟件采用模塊化建模思想,提供了涵蓋眾多工程應用領域的大量模塊,可以較為方便地實現(xiàn)高精度燃油系統(tǒng)仿真模型。大量工程經(jīng)驗表明,應用AMESim軟件建立的仿真模型具有很高的精度,可滿足燃氣輪機燃油系統(tǒng)的仿真要求,其仿真結果對實際產(chǎn)品設計具有重要的參考價值。最終建立的AMESim仿真模型如圖3所示。
燃氣輪機在起動階段對控制系統(tǒng)有較高的性能要求,通過仿真研究了燃油系統(tǒng)在起動階段的流量特性。仿真結果表明,燃油系統(tǒng)控油窗口的結構對流量特性有較大影響。最終優(yōu)化得到控油窗口能夠實現(xiàn)理想的流量特性,如圖4所示。
電液伺服閥的流量對計量活門控制特性有顯著影響。設定不同流量的電液伺服閥進行了計量活門動態(tài)階躍性能仿真,以便得到合理范圍的伺服閥流量。對1組伺服閥流量在不同轉速下進行了階躍特性仿真,得到了令人滿意的結果。其中1種仿真曲線如圖5所示。
分別在燃氣輪機點火、慢車及最大轉速下,進行流量特性仿真,模擬其在點火、起動、穩(wěn)態(tài)、加減速和最大轉速等工作狀態(tài)下的流量。仿真結果表明,在不同轉速下,供油流量控制穩(wěn)定,性能良好,如圖6所示。
分別在點火、慢車及最大轉速時,控制器給應急閥和放油閥斷電,進行應急特性仿真。仿真結果表明,流量從穩(wěn)態(tài)值下降至0的時間為0.2 s左右,可以保證燃氣輪機在緊急狀態(tài)下迅速切斷供油,實現(xiàn)緊急停車,如圖7所示。
本文介紹了某型燃氣輪機燃油及葉片角控制系統(tǒng)方案,并采用AMESim軟件開展了供油規(guī)律及應急控制規(guī)律的仿真研究。結果表明,該系統(tǒng)供油流量特性符合燃氣輪機總體要求,控制穩(wěn)定可靠;應急流量特性可以在緊急狀態(tài)下迅速切斷供油而緊急停車,保證了燃氣輪機安全;燃油及葉片角控制系統(tǒng)可以滿足燃氣輪機臺架試車使用要求。
[1]廉筱純,吳虎.航空發(fā)動機原理[M].西安∶西北工業(yè)大學出版社,2005.
[2]黃向華.控制系統(tǒng)仿真[M].北京∶北京航空航天大學出版社,2008.
[3]劉長福,鄧明.航空發(fā)動機結構分析[M].西安∶西北工業(yè)大學出版社,2006.
[4]樊思齊,徐蕓華.航空推進系統(tǒng)控制[M].西安∶西北工業(yè)大學出版社,1995.
[5]徐薇莉,田作華.自動控制理論與設計[M].上海∶上海交通大學出版社,2007.
[6]林基恕.航空燃氣渦輪發(fā)動機機械系統(tǒng)設計[M].北京:航空工業(yè)出版社,2005.