基于分布式控制的航空发动机电动燃油泵方案研究

基于分布式控制的航空发动机电动燃油泵研究 . .燃气涡轮试验与研究 第 卷 增刊. 年月 摘 要:研究了基于分布式控制的航空发动机电动燃油泵方案。阐述了电动燃油泵的需求背景,进行了电动燃油泵 的匹配,提出了电动燃油泵的解决方案。着重论述了燃调系统的实现方法,以及数字电子控制器硬件和软件实 现方案,分析了电动燃油泵面临的技术瓶颈。电动燃油泵已进行了半实物仿真验证,主要技术指标均满足要求, 明该方案具有较好的工程应用前景。 关键词:多电发动机;电动燃油泵;燃调系统;控制器;解决方案;分布式控制系统 中图分类号: . 文献标识码: 文章编号: ? 一 ? ? .。一,?,? ., , , ; . ,, : ., ., ? . ?? . .: ; ; ;; ; 电动燃油泵是多电发动机的核心部件之一,其 引言 使用将对传统燃油系统产生极大影响。现役航空发 随着航空技术的不断发展,飞行器对动力装置 动机增压泵大多采用离心泵,主燃油泵和加力燃油 的要求更为苛刻,现有航空发动机技术面临更大挑 泵通常采用齿轮泵,这些都是定量泵。由于齿轮泵 战,同时也迎来新的机遇。 世纪后半叶,以美国 转速与发动机转速直接相关,因此在某些飞行状态 为首的欧美发达国家提出了多电发动机理念,目标 下,齿轮泵提供的燃油量远高于发动机所需燃油量, 是通过机电的方式复制其功能,以寻求第二动力系 为此有大量燃油重新流回燃油箱,从而导致回油温 统的合理化解决途径,使发动机结构和性能全面优 度升高,因此需要对回油进行冷却,以防止燃油系统 化。国外早在 年就对多电发动机技术进行了 超温 。另外,增压泵、燃油泵安装于附件机匣上, 验证,目前美国和英国在多电发动机技术研究方面 从发动机转子上提取动力。而多电发动机不再有为 已取得很大进展,估计 年前多电发动机达到实 燃油泵提供机械传动轴的附件机匣,为此提出了电 用阶段。我国在多电发动机研究方面处于探索阶 动燃油泵这一概念。具有智能控制器的电动燃油泵 段 收稿日期:? ? ;修回日期:? ? 作者简介:高毅军一,男,甘肃天水人,高级工程师,主要从事航空发动机燃油 与控制系统研究。第 卷 燃气涡轮试验与研究 转速与发动机转速无关,电动燃油泵根据发动机需 根据发动机主、副油路喷嘴特性,可获得电动泵 要调整电机转速来控制燃油量,无需燃油流回。这 流量压差性能曲线,如图 所示。图中,? 和? 减轻了系统重量,降低了系统复杂性,增加了系统可 分别为主、副油路压差,? 和? 分别为主、副油 靠性。我国在电动燃油泵研究方面还处于起步阶 路流量。从图中可知,曲线的规律性较好。 段。 . 一 ? 本文提出了基于分布式控制的电动燃油泵 / 卜\ ? . 解决方案,重点阐述了电动燃油泵的系统组成和工 \ . 作原理,分析了设计中面临的技术瓶颈,提出了解决 /; 、 \ . 问题的途径。 \ 吾. /. / 解决方案.. 电动燃油泵匹配分析 . 电动燃油泵采用变速组合泵作为其机械液压系 // 统实现方案。变速组合泵能解决燃油调节器回油和 图 电动泵流量压差性能曲线 燃油温度升高问题,使发动机功率匹配更加合理,有.效提高发动机效率。传 统发动机燃油泵增压值与发 动机转速的平方成正比,起动时,由于发动机转速 为提高小于设计流量区段泵的效率,及充分利 低,燃油泵出口压力达不到燃烧室喷嘴雾化燃油的 用大于设计流量的泵的高效率区段,电动燃油泵的 压力值。而变速组合泵可由变频高速低惯量电动机 设计参数为: 提供动力,起动过程中不受转速限制,能根据发动机 ? 状态需求随时调节电机转速,使出口压力满足燃油雾化要求。 . 聪 小流量状态工作时,可降低驱动电机转速,使出 . . 口压力等于负载所需值,无节流损失,提高了效率。 式中: 总为总流量, 为设计流量, 为设计压力, 如图 所示,在设计点 工作时,对应设计流量 的为控制器计算的压差。 压力 正好等于负载, 点无压力损失。若在 点 . 系统组成 工作,则转速 甘寸,泵的供给压力为 ,’,而负载所需 电动燃油泵结构如图 所示,由电动燃油泵电 压力为尸,必将造成节流损失,效率降低,燃油温升 子控制器、组合泵、功率变换模块和电机等部件构 提高。此时若将转速由 降至 ,则泵的出口压力 成。其动力装置为高速开关磁阻电机,燃油系统采 正好等于负载,无节流损失,效率相对提高,燃油温 用组合泵方案,离心泵和齿轮泵设计为同轴组合 升减小。当然,若在 ,点工作,效果会更好。 泵。电动燃油系统采用分布式控制方式,通过控制电机转速向发动机燃烧室 提供所需燃油,并按发动 机要求对燃油流量进行调节,确保发动机可靠工作。 ’ . 组合泵方案 发动机控制系统采用分布式架构,电动燃油系统为发动机控制系统的一个子 系统。发动机控制系统与各子系统之间通过总线传输信息,向发动 机各系统发布控制指令 。电动燃油泵电子控制器 通过总线接收控制系统发出的工作指令,控制 开关磁阻电机,电机驱动离心增压泵和齿轮泵工 :作。离心增压泵保证齿轮 泵泵前压力在既定范围 图 电动泵流量压力特性曲线. 内,避免齿轮泵产生汽蚀。 高毅军等:基于 分布式控制的航空发动机电动燃油泵方案研究 增刊 图 电动燃油泵燃油系统原理图.传动轴为其提供动力。离心泵设计在齿轮泵 前,以 保证齿轮泵进口压力的稳定性。在离心泵出口设计 了旁路活门,其打开压力在一定区间连续可调。旁 路活门设计为单元件,其调整位置为活门端头调整 图 电动燃油系统结构框图. 钉。齿轮泵止推轴承设计为动止推轴承和静止推轴 承。动止推轴承在弹簧力作用下可在端面磨损的情 组合泵是电动燃油泵的重要部件,如图 所示, 况下使轴承自动补偿,以保证端面间隙,从而保证组 燃油系统由组合泵、旁路活门、电机、燃油滤、换向电 合泵供油效率。齿轮泵轴端采用浮动密封装置,密 磁阀、最小压力活门、温度传感器和电子流量计组 封性好、可靠性高。电动燃油泵壳体外形如图 所 成。 示 组合泵的工作原理为:电动燃油泵电子控制器 实时计算发动机所需燃油量,发出控制指令,调节电 机转速对燃油流量进行控制;在发动机主、副油路 上,通过电子流量计进行测量,将采集的信号传输给 电动燃油泵电子控制器,电动燃油泵电子控制器根 据实际流量需求和反馈求差值,通过电机转速实施 流量调节,实现燃油流量的闭环控制。发动机工作 时,换向电磁阀通电,最低压力活门和主油路开启活 门的弹簧腔与系统低压油接通,防止弹簧腔为死腔。 图 电动燃油泵三维图 燃油经齿轮泵增压后到达最低压力活门,当燃. ?? 油压力达到设计值时,最低压力活门打开,燃油通过副油路进入燃烧室;当燃 油压力进一步升高达到某 一 值时,主油路开启活门打开,燃油同时经主油路和 . 电机方案 副油路进入燃烧室。 电动燃油泵驱动装置采用开关磁阻电机方案, 发动机停车时,换向电磁阀断电,此时弹簧腔与 电源电压为 直流,输出功率 约为 ,采用燃 油循环冷却方式,其冷却燃油由增压泵提供。开关 系统低压油断开,泵后高压燃油进入弹簧腔,迅速使 弹簧腔油压与活门前油压平衡,活门在弹簧力的作 磁阻电机镶嵌在燃油泵 壳体内,采用一体化结构。 开关磁阻电机采用 / 结构,电机绕组展开图如图 用下迅速关闭,截断通往燃烧室的燃油,控制发动机 停车。 所示,其定子极 个齿极上分别绕制集中绕组,每极 电动燃油泵燃油系统将离心增压泵与齿轮泵设匝。空间相差 。的四个极上 的绕组相互并联为 一 相,当该相绕组通电时,相邻两极的极性相反。 计为同轴组合泵,主泵为离心泵,开关磁阻电机通过第 卷 燃气涡轮试验与 研究八二二一 八二一 八一 宝、二一 ? 一?? 八二一 ’?八二~ 一?一 八二二一 图 电机绕组展开示意图. 八二二一 图 电动燃油泵电子控制器原理图. 二二一 . 电动燃油泵电子控制器方案航空二二 发~ 动 机控制系统要求采用高集 成度、耐高 息,在定、转子即将达到平衡位置时向功率变换器发 温的电子元器件构建智能化的,部件之间采用高速 二二~ 出命令,关断当前相的主开关元件,导通下一相,则 总线的分布式控制州,电子控制器电子器件的工作 八二二~ 转子向下一个平衡位置转动。控制器根据相应的位 温度有望达到 。分布式控制结构如图 所 置信息,按一定控制逻辑连续导通和关断相应相绕 示。系统可靠性由数字控制器中的双余度电子通 组的主开关,可产生连续同转向的电磁转矩,使转子 道、备份传感器、备份执行机构、余度总线、高 在一定转速下连续运行;再根据一定的控制策略控 可靠性的元器件、燃油泵传动装置、抗干扰控制算 制各相绕组的通、断时刻及绕组电流的大小,可使开 法、发生故障时恢复信息和重构控制、系统的内部自 关磁阻电机在既定条件下运行,满足向发动机供油 监视和自诊断等保证。 的需求。 . 控制软件 电动燃油泵电子控制器的控制软件利用面向对象的高级语言编写,采用模块 化设计,程序的可读性 好,便于读写和修改。控制策略采用角度优化 控制。通过最优导通角加控 制策略的方 图 分布式控制结构图 式进行控制,可保证电机具有较好的控制性能。最. 优导通角和转速关系存于电子控制器中。 电动燃油泵电子控制器采用分布式控制器,与 控制采用斩单管策略即对于 每一相,下桥臂 发动机控制器之间的数据交换通过总线来实 斩波,上桥臂恒通,可减小转矩 脉动,减小开 现 ,其原理见图 。主要功能是控制开关磁阻电机 关管损耗 %。控制软件流程如图 所示。 以实现对发动机燃油的控制。硬件主要包括处 理器,位置检测电路,电流检测电路,倍频电路,过 流、过压及欠压保护电路, / 转换电路,转速输人 输出电路,逻辑电路及驱动电路等。 电动燃油泵电子控制器工作原理是:数字电子 控制器根据位置检测器检测到定、转子间相对位置 信息,通过接受发动机控制器给定的工作指令,开通 相应定子相绕组的主开关元件,此时对应相绕组中 有电流流过,产生磁场。磁场总是趋于磁阻最小,而 产生的磁阻性电磁转矩使转子转向极对极位置。当 图 控制器软件流程框图 转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相重合平. 衡位置时,电磁转矩消失,控制器根据新的位置信