黃 果，李炎軍，宋 飛，楊美超，趙 欣

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

1 引言

將轉(zhuǎn)速、流量可調(diào)的電驅(qū)動(dòng)滑油泵及滑油系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于多電發(fā)動(dòng)機(jī)，取消傳統(tǒng)的功率分出軸、減速器等機(jī)械液壓附件，從而減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，減小迎風(fēng)面積，改善可靠性和維修性，已成為新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要方向。在電驅(qū)動(dòng)滑油泵研究方面，波音公司在20世紀(jì)80年代初首先提出了用電力作動(dòng)器取代液壓作動(dòng)器，用電力泵取代齒輪箱驅(qū)動(dòng)的滑油泵和燃油泵等[1]概念。21世紀(jì)初Moncelet等[2]對(duì)電驅(qū)動(dòng)分布式滑油系統(tǒng)原理進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，并明確該技術(shù)將為多電/全電發(fā)動(dòng)機(jī)提供一個(gè)全新的方向。國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)也撰文[3-5]對(duì)電驅(qū)動(dòng)滑油泵和電驅(qū)動(dòng)滑油系統(tǒng)作為未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)方向進(jìn)行了描述，但未見(jiàn)具體的研究報(bào)道。針對(duì)電驅(qū)動(dòng)滑油系統(tǒng)的供油特性，發(fā)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)滑油系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，是在發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)與滑油供油流量關(guān)聯(lián)規(guī)律的基礎(chǔ)上，形成電驅(qū)動(dòng)滑油泵控制算法，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油量的按需控制。本文以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合滑油系統(tǒng)熱分析和MATLAB軟件開(kāi)展電驅(qū)動(dòng)滑油泵控制算法研究，獲得了經(jīng)過(guò)初步驗(yàn)證的電驅(qū)動(dòng)滑油泵控制算法，可為后續(xù)電驅(qū)動(dòng)滑油泵研究提供技術(shù)支撐。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)滑油需油量的確定

發(fā)動(dòng)機(jī)滑油需油量W0，取決于滑油必須帶走的熱量Q和滑油在發(fā)動(dòng)機(jī)中允許的進(jìn)出口溫差Δt：

式中：ρ為滑油密度，cp為滑油比熱容。

滑油需油量計(jì)算是針對(duì)噴嘴噴射流量而言，以部件或系統(tǒng)在工作中所產(chǎn)生的熱量為基礎(chǔ)，通過(guò)發(fā)熱量與需滑油帶走的熱量相平衡求得。因?yàn)橹挥袩崃刻幱谝粋€(gè)相對(duì)平衡狀態(tài)，該處的工作溫度基本維持在一定范圍內(nèi)，進(jìn)而保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)與滑油供油流量關(guān)聯(lián)模型的建立

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)滑油流量計(jì)算

采用B.M.捷米道維奇模型[6]計(jì)算主軸承的摩擦生熱。為使計(jì)算結(jié)果更接近發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際情況，基于某型核心機(jī)有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了修正。在修正后的計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，表1給出了修正后各主要工況的滑油流量。該計(jì)算結(jié)果可作為發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)和滑油供油流量關(guān)聯(lián)模型構(gòu)建的基礎(chǔ)樣本。

3.2 關(guān)聯(lián)模型創(chuàng)建

結(jié)合工況定義條件和各工況條件下的滑油流量計(jì)算結(jié)果，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)與滑油流量之間的關(guān)系，如圖1所示。

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在地面及飛行狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以得出，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際總滑油流量qL實(shí)與飛行高度、飛行馬赫數(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的關(guān)系式為：

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件中線性回歸求解，可得發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)與實(shí)際總滑油流量的關(guān)聯(lián)模型：

將發(fā)動(dòng)機(jī)各狀態(tài)參數(shù)帶入式(3)計(jì)算，可得對(duì)應(yīng)的實(shí)際總滑油流量，見(jiàn)表2。由表中可看出，式(3)計(jì)算的實(shí)際總滑油流量值和理論總滑油流量的修正值之間的誤差值均小于3%，說(shuō)明式(3)可作為后續(xù)電驅(qū)動(dòng)滑油泵控制規(guī)律開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)模型。但由于式(3)是基于有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)而得，應(yīng)用范圍有一定的局限性，為使其具有通用性，對(duì)關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行如下規(guī)定：

表1 修正后各主要工況的滑油流量Table 1 Corrected results of the lubricating oil flow for different working conditions

表2 各主要工況實(shí)際總滑油流量計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of the actual lubricating oil flow for different working conditions

表2 各主要工況實(shí)際總滑油流量計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of the actual lubricating oil flow for different working conditions

(1)地面狀態(tài)

(2)高空狀態(tài)

4 電驅(qū)動(dòng)滑油泵控制算法模型

4.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電驅(qū)動(dòng)滑油泵為永磁無(wú)刷直流電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)，主要由泵體、永磁電機(jī)和外殼3部分組成，如圖2所示。工作時(shí)永磁電機(jī)通過(guò)內(nèi)六方傳扭裝置帶泵旋轉(zhuǎn)，滑油從進(jìn)油口吸入，經(jīng)泵增壓后流經(jīng)電機(jī)外部并冷卻電機(jī)。

4.2 流量控制策略設(shè)計(jì)

由上述分析可知，滑油泵的流量控制可通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速n電實(shí)現(xiàn)，故建立如下流量控制策略。

(1)地面狀態(tài)

實(shí)際滑油流量按機(jī)械效率0.85、容積效率0.90進(jìn)行計(jì)算，可得：

式中：n泵為滑油泵轉(zhuǎn)速(r/min)。

(2)高空狀態(tài)

(a) 當(dāng)H＜5km、Ma＜0.5時(shí)，實(shí)際滑油流量按機(jī)械效率0.85、容積效率0.75進(jìn)行計(jì)算，可得：

(b) 當(dāng)H＜5km、Ma＞0.5時(shí)，實(shí)際滑油流量按機(jī)械效率0.85、容積效率0.70進(jìn)行計(jì)算，可得：

結(jié)合電機(jī)底層控制軟件Indraworks DS，利用C#語(yǔ)言完成上位控制軟件的開(kāi)發(fā)，如圖3所示。

5 控制算法試驗(yàn)驗(yàn)證

利用電驅(qū)動(dòng)滑油泵試驗(yàn)器(圖4)開(kāi)展了電驅(qū)動(dòng)滑油泵控制規(guī)律的試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)各工況對(duì)應(yīng)參數(shù)，同時(shí)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的滑油泵進(jìn)出口壓力，完成了電驅(qū)動(dòng)滑油泵的地面和高空性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3?；土髁侩S工況變化的理論值與試驗(yàn)值的對(duì)比見(jiàn)圖5。結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)各飛行工況下，電驅(qū)動(dòng)滑油泵調(diào)節(jié)流量均略大于實(shí)際需油量。其原因?yàn)?，控制算法均以需求流量上偏差作為擬合基準(zhǔn)，同時(shí)滑油泵進(jìn)出口壓力調(diào)節(jié)誤差造成實(shí)際供油流量誤差。但流量控制誤差均不大于5%，滿足流量控制精度要求。各狀態(tài)下滑油泵運(yùn)行狀態(tài)良好。

表3 電驅(qū)動(dòng)滑油泵各工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表Table 3 Test data for different working condition of electrically driven oil pump

6 結(jié)論

(1)電驅(qū)動(dòng)滑油泵流量控制精度滿足不大于5%的要求，且均為上偏差流量；

(2)電驅(qū)動(dòng)滑油泵實(shí)際供油量能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)各飛行工況滑油流量需求；

(3)電驅(qū)動(dòng)滑油泵控制算法可行，能夠應(yīng)用于后續(xù)電驅(qū)動(dòng)滑油泵研究。

[1]Weimer J A，Massie L D.Power technology for the more electric aircraft[R].AIAA 93-1051，1993.

[2]Moncelet G，Texier A，Raimarckers N.New Concepts for a dependable design of aeronautic engine lubrication system[C]//.ESREL2002 conference.2002.

[3]梁春華.歐美積極開(kāi)展多電發(fā)動(dòng)機(jī)研究[J].國(guó)際航空，2009，(5)：61—63.

[4]李國(guó)權(quán).航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2011，37(6)：49—52.

[5]吳志琨，李 軍，時(shí)瑞軍.多電航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)況及關(guān)鍵技術(shù)[J].航空工程進(jìn)展，2012，(4)：463—467.

[6]劉友宏，于 超.航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)熱分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9(22)：6822—6925.