1、燃气涡轮发动机（第二版 ）,第6章 燃油及控制系统,飞机的不同飞行阶段（滑跑、起飞、爬升、巡航、下 降、进近、复飞等）需要不同的推力（或功率），对应着发动机不同的工作状态，也就是说供给发动机不同的燃油量。动力装置在地面和空中有其安全工作范围。发动机控制应该避免发动机工作中出现超温、超转、喘振、贫油或富油熄火、超压、和超扭。 燃油系统的功用：是在各个工作状态下将清洁的、无蒸汽的、经过增压的、计量好的燃油供给发动机。,6.1 燃油分配系统,6.1.1 燃油的规格、添加剂及安全措施,航空燃油及添加剂 燃气涡轮发动机燃油是液体的碳氢化合物，象掺和汽油的煤油。掺和汽油减少煤油燃料在高空太黏的趋势。地面动
2、力装置没有遇到这个问题。通过在燃气涡轮发动机燃料燃烧形成的氧化物大多数是气体。保持固体颗粒为最低是选择喷气燃料的另一个质量要求，固体颗粒能够冲击涡轮叶片和导向器，引起腐蚀。 在商用和通用航空中最常用的喷气燃料有： Jet-A： 重煤油基燃料，闪点110-150，凝固点-40，18 600Btu/lb（英制热量单位）（约为19600千焦）；类似于海军JP-5燃油。 Jet-A1：除了凝固点-58外同Jet-A一样。类似于北约带添加剂的JP-8燃油。 Jet-B： 重汽油基燃料，闪点0，凝固点-76，18 400Btu/lb （约为19400千焦） ；类似于军用JP-4燃油。 Jet-A，Jet-
3、A1和Jet-B是主要的商用燃油，对于大多数燃气涡轮发动机使用是可互换的。军用JP-4和JP-5常适于作备用燃油。,燃油添加剂是加入到燃油中的一种化合物，其量很少。它能改进和提高燃油品质。在各种等级燃油中允许加入多少是由适当的规则进行严格控制的。防氧化剂：防止在燃油系统的元件上形成由于燃油氧化而产生的胶质沉淀，同时也防止在喷出燃油中形成过氧化物。 抗静电剂：消除由于燃油在高速传输过程中产生静电的有害影响。 抗腐剂：保护燃油系统中的含铁金属，防止腐蚀，如管道和油箱。有些抗腐剂可提高喷出燃油的润滑性。 燃油防冰剂：降低由于高空低温导致从燃油中析出的水分的冰点，并防止形成冰晶。这些冰晶将阻碍发动机中
4、燃油流动。这种添加剂不会影响燃油本身的冰点。 金属钝化剂：降低一些金属，尤其是铜对燃油氧化的催化作用。,燃油系统的供油过程:发动机燃油系统是由飞机燃油系统将燃油供到发动机的燃油泵开始，一直到燃油从燃烧室喷嘴喷出，这中间除燃油泵外还有燃油加热器、燃油滤、燃油控制器、燃油流量计、分配活门或增压和泄油活门，燃油总管、燃油喷嘴,6.1.2 燃油分配系统的工作,低压系统,高压燃油系统,燃油泵 燃油泵：负责供油和增压，常常包括增压级和主级。增压的目的：燃油喷咀工作的需要；提供伺服燃油。增压级也叫低压泵，给主级进口提供所需的流量和压 力，可由离心泵或齿轮泵完成；主级也叫高压泵，提供燃油系统所需的最终压力，通
5、常由齿轮泵完成。分类：容积式泵和叶轮式泵,2. 燃油滤,原理图,滤芯,燃油加热器,空气-燃油加热器,燃油流量传感器涡轮流量传感器：通过测量传感器中涡轮转速来间接测量流体流量,燃油喷嘴 燃油喷嘴 燃油燃烧过程要经过雾化、蒸发、混合、燃烧。燃油喷嘴可分为雾化型和汽化型（蒸发管）。 燃油喷嘴是燃油系统的最终部件，其基本功能是执行燃油雾化或汽化的任务，以保证燃油快速燃烧。 燃油喷嘴的另一种空气喷雾原理，使用高速的空气取代高速的燃油来进行雾化，它可以在低的燃油流量下使燃油雾化。 燃油雾化。 雾化型喷嘴已发展成5个不同的品种，即单油路喷嘴，可调进口喷嘴，双油路喷嘴，溢流式和空气雾化式喷嘴。,燃油雾化的各个
6、阶段,单油路喷嘴 ：它有一个内腔，使燃油产生漩涡，还有一个固定面积的雾化孔。这种燃油喷嘴，在较高的燃油流量，即在较高的燃油压力时，能提供良好的雾化质量,单油路和可调进口喷嘴,双油路喷嘴：有初级和主燃油总管和有两个独立的孔，一个孔比另一个孔小很多。较小的孔处理较低燃油流量，较大的孔随着燃油压力的增加供应较高的燃油流量。这种类型喷嘴采用增压活门将燃油分配到不同的总管。随燃油流量和压力增加，增压活门移动，逐渐使燃油进入主燃油总管和主油孔。这给出组合的两个总管供油。 与单油路相比，在相同的最大燃油压力下，双油路喷嘴能够在较宽的流量范围内实现有效雾化。而且在高空条件下如果要求低燃油流量时，也可获得有效的
7、雾化。 对于一个供油总管的采用双油路喷嘴的情况，在喷嘴内有流量分配器，低流量时喷嘴中心孔喷油，流量大时，燃油压力打开流量分配器，喷嘴中心孔和外圆孔一起喷油。,空气雾化喷嘴： 使喷射的燃油携带一部分燃烧室的一股空气。 优点： 可以避免局部富油。减少了积碳的形成。减少排气冒烟。 燃油雾化要求的压力低。 采用重量较轻的齿轮泵,蒸发管 是指燃油在蒸发管内汽化并与空气混合，燃烧稳定，但启动时仍然需要雾化喷嘴。 为防止停车后，燃油在重力作用下从喷咀滴出并形成积炭，在喷咀内通常有单向活门，在停车关断燃油后，总管压力降低，单向活门关闭,6.2 燃油控制系统,6.2.1 燃油控制系统的工作原理、功用及控制方法分
8、类 发动机控制按控制功能分 : 稳态控制：是指在人工指令不变的情况下，对外界干扰引起的发动机工作状态变化，发动机控制能消除干扰的影响，保持既定的发动机稳定工作点不变的控制功能。如恒速控制。 过渡控制（瞬态工作）：在人工指令改变的情况下，发动机控制能按指令的要求，控制发动机从原有工作状态，平稳、快速、准确地过渡到所选定的新的工作状态。如：启动停车、加速、减速、反推等。 安全限制：指发动机在各种工作状态和全部的飞行条件下，保证发动机主要参数不超出安全范围，即不超出允许的限制。如发动机控制装置能确保发动机在任何情况下，不超温、不超转、不喘振、不熄火、不超压、不超扭等。,发动机控制按可控变量分 根据可
9、控变量的不同：发动机控制分为燃油流量控制和几何控制。 燃油流量控制：以燃油流量，即供油量为可控变量，控制发动机的转速、压力比（），以控制发动机的推力为目的。 几何控制：以发动机的某些几何参数为可控变量，通过控制和调节，以保证发动机稳定和提高发动机性能等内容为控制目的。如：可调静子叶片，可调放气活门或放气带，涡轮间隙，螺旋桨桨叶角、可调进气道，可调面积（或方向）喷管等。发动机控制按控制原理分开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统,开环控制 控制装置和被控对象同时感受外界干扰，改变可控变量，补偿干扰量 引起的被控参数变化，按补偿原理工作 优点：及时、稳定。 缺点：不能补偿所有干扰，精度差。,开环
10、控制实例： 飞行高度增加进入发动机的空气流量减少（若不补偿则会引起发动机转速升高）膜盒膨胀档板活门的开度增大随动活塞上移柱塞泵的斜盘角变小供油量减少保持转速不变。,开环控制主要元件 敏感元件为膜盒，感受进气总压; 进气总压是飞行高度和飞行马赫数的函数; 油门杆为指令机构，通过传动臂，齿轮，齿套等来改变调准弹簧力，确定转速的给定值; 放大元件为档板活门，档板通过与膜盒相连的杠杆的作用来改变其开度; 执行元件为随动活塞, 它控制柱塞泵斜盘的角度，从而改变供油量; 供油元件为柱塞泵。,闭环控制系统 闭环控制：控制装置与被控对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程。 特点：对元件的精度要求低而调节的
11、准确度高；调节不及时，使系统经常处于有偏差状态下工作;易引起过调和振荡。 闭环控制被控对象的输出n即为控制装置的输入n ，控制装置的输出qm,f即为被控对象的输入qm,f，整个控制系统形成一个闭合的回路。按偏离原理工作。优点:精度高，不仅对外界干扰而且对内部部件性能退化所造成的被控参数变化也能修正。缺点：不及时。,闭环控制实例： 稳态工作时：发动机稳定工作时，发动机的转速和给定值相等，分油活门处于中立位置，控制器各部分都处于相对静止状态。 干扰引起偏离时（动态）：飞行高度增加空气流量减少涡轮功大于压气机功转速增加离心力变大分油活门上移随动活塞下移柱塞泵斜盘角变小供油量减少转速回落，恢复到给定值
12、。,闭环控制主要元件 敏感元件是离心飞重，其功用是感受发动机的实际转速; 指令机构是油门杆，它通过传动臂，齿轮，齿套等来改变调准弹簧力，确定转速的给定值; 推力杆经钢索，连杆联到燃油控制器上的功率杆。 放大元件是分油活门，分油活门的位置由离心飞重的轴向力与指令机构给定的调准弹簧力比较后的差值决定; 执行元件是随动活塞; 它控制滑油路的走向，改变斜盘角度； 供油元件是燃油泵。控制柱塞泵斜盘的角度，从而改变供油量。,复合控制系统 特点：调节及时、准确；控制器的结构复杂；容易引起过调和振荡。 复合控制开、闭环控制的结合，兼有二者优点，精度高，及时、稳定；能补偿所有干扰；弥补各自的缺点。,发动机控制系
13、统分类: 液压机械式监控型电子式全功能数字电子式,6.2.2 液压机械式燃油系统 液压机械式控制器计算是由凸轮、杠杆、滚轮、弹簧、活门等机械元件组合实现的，由液压油源作为伺服油（控制油） 燃油控制器 功用感受各种参数，按照驾驶员的要求，向燃烧室供应足够的燃油，使发动机产生需要的推力控制器按照预先确定的供油计划，作为油门杆角度、压气机出口压力、压气机进口温度和发动机转速的函数调节供油量。 组成计量系统计算系统,计量系统 功用按照驾驶员要求的推力，根据发动机的工作状态和飞机的飞行状态，在发动机的工作限制之内，依据计算系统计算的流量向燃烧室供应燃油 组成粗油滤和细油滤、计量活门、压力调节活门、最小压
14、力和切断活门、风车旁路和停车活门、自动储备推力和环境压力伺服等部件。 实现方法 由压力调节活门用来感受计量活门进、出口的压力，保持压差不变，使供油量只与计量活门的流通面积有关 影响供油量调节的因素：由流量公式可知，流量取决于计量活门的节流面积和前后压差。流量与面积成正比，与压差的平方根成正比。 在压力调节活门内，装有双金属式的温度敏感元件，作为温度补偿器，补偿燃油温度变化对供油量的影响。 压力调节活门上的压差调整钉兼做燃油密度选择器，即燃油比重调整。,计算系统 功用 感受各种参数，在发动机所有工作阶段控制计量部分的输出 感受参数有发动机转速，压气机出口总压，压气机出口总温，压气机进口总温，油门
15、杆角度等 组成 计算系统由压气机出口压力传感器、压气机出口压力限制器、转速调节器、压气机进口温度传感器及操纵机构等组成,民航发动机常用的燃油控制器的共同特点概括如下： 1同燃油控制器联用的燃油泵通常有齿轮泵（包括增压级和主级）、柱塞泵和叶片泵。 柱塞泵可按需油量向燃烧室供油；齿轮泵、叶片泵则要求燃油控制器将超出需要的燃油返回油泵进口。2控制器一般分为计量部分和计算部分。 计算部分感受各种参数，在发动机的所有工作阶段控制计量部分的输出。计量部分按照驾驶员要求的推力（或功率），在发动机工作限制之内，依据计算系统计划的燃油流量供往发动机喷嘴。,3改变燃油流量一般通过改变计量活门的流通面积和/或计量活
16、门前、后压差实现。 相当多的燃油控制器，利用压力调节活门（压差活门）保持计量活门前、后压差不变，通过改变计量活门的通油面积改变供油量。 为了补偿燃油温度的影响，常在压力调节活门内装有温度补偿器。压差调整钉兼做燃油密度选择器。 4转速调节器通常是比例式的，采用刚性反馈，实施闭环转速控制。 5一些燃油控制器采用三维凸轮作为计算元件，由凸轮型面给出加速（或许还有减速、稳态）的供油计划。三维凸轮感受一个参数移动，感受另一个参数转动。凸轮型面上每一点即代表该组参数下，不发生喘振、超温、熄火的允许值 6最小压力及燃油关断活门：发动机工作时，起增压活门作用，即控制离开控制器的最低计量燃油压力，使喷嘴雾化模型
17、良好并保证控制器内伺服机构正常工作所需的最低压力；发动机停车时，活门关闭，切断供油。 。,7风车旁路活门及油泵卸荷活门：发动机工作时，风车旁路活门关闭（不卸荷），油泵后燃油压力上升，打开最小压力活门向燃油总管供油；在发动机停车时，该活门打开，使油泵卸荷活门处于卸荷状态，给处于风转状态下的发动机所驱动的油泵卸荷。 8地面慢车和进近慢车 地面慢车也叫低慢车，是发动机能稳定工作的最低平衡转速，用于在地面状态下工作。 高慢车也叫空中慢车或进近慢车，是用于在空中使用的慢车转速，设置高慢车的目的是保证复飞时迅速加速， 飞机着陆前以高慢车转速工作，若成功着陆，自动转为低慢车工作。 高、低慢车的转换由控制器上
18、的慢车电磁活门感受空地感应机构的信号，以断电通电方式实现。 燃油控制器上有相应的调整部位。,9运输机上有两个操纵杆与燃油控制器相连。推力杆（功率杆）选定发动机工作状态；启动杆（停车杆）控制启动和停车。直升机上控制杆功能有所不同。 10进入燃油控制器的燃油泵后高压油，先经燃油滤过滤。粗油滤过滤后的燃油作为主燃油；另一部分再经细油滤过滤后作为伺服油（控制油）转速调节器：采用闭环控制，其中给定弹簧的弹簧力表示所要求的转速；离心飞重代表了实际转速。 液压机械式发动机控制系统组成 低压燃油泵，加热器，主油泵，燃油滤，燃油控制器，流量传感器，燃油滑油热交换器，增压泄油活门，燃油总管，喷油嘴,组成各部件的功
19、用 低压燃油泵 向发动机高压泵提供所需燃油压力和流量 加热器 热空气来自压气机，对燃油加热，防止燃油结冰 主油泵 给燃油增压。分为柱塞泵和齿轮泵两种，它们都属于容积泵 燃油控制器 根据发动机的工作状态和飞机的飞行状态，计量供给然烧室的燃油 燃油滑油热交换器 加热燃油，同时冷却滑油 燃油喷嘴: 雾化燃油，分为雾化型（双路离心式喷嘴）、气动式和蒸发 型等,增压/泄油活门(PD活门) 增压活门 在供油压力大于预定值时打开（一般在慢车之前），停车时和低转速时关闭。工作时增压使燃油在预定压力下流入燃油总管，控制到副油路的燃油流量，起到分配活门的作用; 泄油活门 停车时打开将燃油总管中的燃油放回到油箱。发
20、动机工作时关闭。 燃油滤 由油滤，旁通活门和压差电门组成 旁通活门的功用是当油滤堵塞或油滤进出口的压差达到一定数 值时打开，直接供油 压差电门的功用是当油滤堵塞或油滤进出口的压差达到一定数 值时接通，警告灯亮。但发动机仍能正常工作，只是指出油滤 堵塞应清洗油滤,附：监控型发动机电子控制器,监控型发动机电子控制器 是液压机械式控制器再增加一个发动机电子控制器（EEC），两者共同实施对发动机的控制。 在这种类型的发动机控制中，液压机械式控制器作为主控制器，负责发动机的完全控制，包括启动、加速、减速控制，转速控制。 发动机电子控制具有监督能力，对推力（功率）进行精确控制，并对发动机重要工作参数进行安
21、全限制。 由于电子控制便于同飞机接口，易于推力管理，状态监视，以及信号显示和数据储存。,监控型电子控制器特点 1液压机械式燃油控制器是主控制器，电子监控器是辅助控制器，当EEC发生故障时，发动机完全在液压机械控制之下调节燃油流量。 2液压机械燃油控制器（通过力矩马达进行电/液转换）电子控制器。 3EEC感受外界飞行条件变化推力控制精度提高。 4EEC有自检功能，可检测故障（BITE），为飞行人员和地面维护人员提供方便。 5减轻驾驶员的工作负荷。 6EEC使用的电源是专用发电机，在地面试验可利用飞机的电源。,EEC 方框图,液压机械式和电子监控式控制器调准：调准通常在换发，或换燃调，或发动机不能
22、产生最大推力 时进行。 燃油控制器由发动机高压转子传动。 为保证发动机输出推力，性能试验期间，需要检查慢车转 速和最大推力。 燃油控制器外场允许的调整部位有燃油比重、慢车转速、 部分功率调整钉。 调整的理想情况是无风、低湿度，标准日的温度和压力。 不是标准日的情况查表。小风天气，风向对着机头；大风 天气不要做调准。 最后调准应在增加方向上。,监控型电子式的特点：1由液压机械式控制器完成主要功能，EEC起监控、限制作用，具有有限功能，即对推力（功率）作有限的控制。 2EEC参与工作时，对于外界条件的变化，它可以精确保证选定的目标值。EEC可以精确地保证EPR或N1的实际值等于要求值。 3在该型控
23、制中，多数的液压机械控制器的供油计划高于EEC的供油计划，EEC通过减少液压机械控制器的供油达到目标值，即称下调(DOWNTRIM)。 4EEC通过力矩马达与液压机械控制器联系，实现电/液转换。EEC计算结果以电信号输出给力矩马达，再转换成液压信号控制燃油流量。 5如果发现EEC有故障，可以冻结调准在当时位置，同时通知驾驶员。驾驶员可以使EEC退出工作，即回到不能下调位置，由液压机械式控制器恢复全部控制。 6EEC有自检能力（BITE），可以连续检测自身故障。有的EEC还可以故障代码形式储存故障，供维护人员调出改 7EEC有输入信号证实和选择逻辑，它可以排除有故障的或假的输入信号。,8EEC一
24、般装在风扇机匣外侧，这里是发动机上环境相对较好的地方，安装有减震座， 采用环境空气冷却。也有的EEC位于飞机电子设备舱。 9EEC由专用发电机供电，飞机电源也供给EEC作为备用电源及地面试验电源。 10在飞机主设备中心有监控器，对EEC实施监控，储存EEC故障数据。,6.2.3全权限数字式发动机控制系统（FADEC）,全功能（全权限）数字电子控制（FADEC）FADEC：FULL AUTHORITY DIGITAL ELECTRONIC（OR ENGINE）CONTROL在FADEC控制中，发动机电子控制器EEC或电子控制装置ECU是它的核心，FADEC系统是管理发动机控制的所有控制装置的总称
25、。所有控制计算由计算机进行，然后通过电液伺服机构输出控制液压机械装置及各个活门、作动器等，因此液压机械装置是它的执行机构。,1在发动机控制方面，FADEC的功能包括输出参数（推力或功率）控制，燃油（启动、加速、减速、稳态）流量控制，压气机可调静子叶片（VSV）和可调放气活门（VBV）控制，涡轮间隙主动控制（ACC），高压压气机、涡轮冷却空气流量控制，发动机滑油和燃油的温度管理，发动机安全保护以及启动和点火控制，反推控制 2FADEC除控制一些参数外，还监视一些工作参数，自动检测故障，隔离出故障部位及采取相应的适应措施，对驾驶员提供发动机状态监控信息，记忆存储故障数据。3在数据通信方面，EEC一
26、方面从飞机接受信息 ；另一方面也发送信息给飞机用于计算、操纵、维护、驾驶舱显示等。 4在FADEC系统中，液压机械装置已不再具有计算功能，控制计算全部由中央处理机进行，但燃油计量功能以及操纵可变几何形状作动器以及活门的伺服油、动力油仍由它提供，即成为EEC的执行机构。液压机械装置（HMU）也有称为燃油计量装置（FMU），保留除计算功能以外的原有功能。 典型FMU的具体功能：计量燃油流量；限制最大、最小供油量；保证最低燃油压力；停车时切断燃油；发动机风转状态下给油泵卸荷；发动机超转保护；提供高压油、伺服油到发动机控制附件等。,5FADEC是容错系统，余度控制。对于不重要的故障，它仍可继续工作。
27、EEC都是双通道设计，通道之间可以相互通信；控制通道故障可自动切换到备用通道工作；所有通道都故障时，可转换到故障-安全状态； EEC接受余度的传感器及飞机输入，并同计算的数据比较选用；输入、输出故障能自动切换到余度的传感器和作动器； 对于以EPR控制推力的，如果计算EPR有困难可以转换到以转速N1控制推力。 6EEC（或ECU）同HMU（或FMU）接口使用力矩马达或电磁活门。力矩马达依据输入信号改变挡板活门开度，然后通过改变计量活门一个油腔或两个油腔的油压控制计量活门开度。一些FMU采用压力调节活门保持计量活门前、后压差恒定，通过改变计量活门流通面积改变供油量。 7EEC将输入的模拟量、频率量
28、、离散量及序列数据转变成处理机识别的数字形式，EEC输出亦从数字形式转变成相应的模拟量、离散量、序列数据，操纵电液伺服机构、电磁活门以及供驾驶 8FADEC系统大多采用ARINC429数据总线或ARINC629数据总线经EDIU（发动机数据接口组件）将飞机数据传输给EEC。发动机控制数据、状态、故障信息亦由数据总线传输给飞机。,9EEC同FMC（飞行管理计算机）接口，允许驾驶员选用自动油门控制。 10数据输入塞、识别塞可使EEC知道发动机序列号，发动机推力对EPR（或N1）实际校准值。该塞连在发动机上。 FADEC系统的优点： 提高发动机性能、 降低燃油消耗、 减轻驾驶员负担、 提高可靠性、 改善维护性 为控制的进一步发展提供很大的潜力。 由于感受的参数不受限制，可以进行复杂的计算，它能够实现各个部件的最佳控制,发动机控制分系统,PW4000 发动机燃油计量装置,FADEC系统维护 参考教材P130,FADEC发动机的排故 教材P131,本章完,
