涡轴发动机控制系统的发展

机工

　　涡轴发动机控制系统经历了机械液压式、模拟电子式、数字电子式、全权限数字式发动机控制(FADEC)4代产品的发展历程，它的发展还与电子技术、控制技术、健康管理技术的进步紧密相关。成熟的飞/发一体化控制及健康管理技术将是未来涡轴发动机控制系统的发展方向。

　　世界上第一台航空涡轴发动机是透博梅卡公司研制的阿都斯特-l发动机，该发动机采用的是机械液压式燃油调节器。涡轴发动机及其控制系统的发展是相辅相成的：一方面，涡轴发动机的发展对控制系统不断提出新的要求，促使其技术不断进步，功能更加完善;另一方面，控制系统的发展、关键技术的突破也能挖掘涡轴发动机的潜力，促进涡轴发动机的发展。


　　控制系统的组成和功能

　　涡轴发动机控制系统包括燃油和控制两大部分。燃油部分有增压泵、油滤、高压泵、分配器等;控制部分有燃气发生器转速控制器、动力涡轮转速恒速器、双/多发扭矩匹配器、涡轮前温度限制器、扭矩限制器、动力涡轮转速超转保护装置、压气机导叶调节装置等。对第一、二代涡轴发动机而言，控制系统大部分是各自独立的。对于第三、四代涡轴发动机的控制系统的大部分组成及功能则进一步集成化，逐渐发展成电子控制单元(ECU)和液压机械单元(HMU)两大块，但有一些关键的部分(如动力涡轮转速超转保护装置)仍然是相对独立的。

　　涡轴发动机控制系统需要实现如下的基本功能：发动机起动控制、发动机稳态控制、发动机加减速控制、动力涡轮转速恒速控制、动力涡轮转速超转保护、燃气发生器转速限制、燃气涡轮出口温度限制、起动过程超温保护、压气机导向叶片角度控制、动力涡轮输出轴扭矩限制、双/多发扭矩匹配控制、单发应急功能控制、放气(活门)控制、燃油系统排气功能、防冰功能。数字式电子控制系统还要实现发动机状态监视和故障诊断与处理、信息存储和数据通信以及地面检测功能。


　　动力涡轮转速恒速控制是涡轴发动机控制系统的主要功能，也是涡轴发动机典型的控制方式。不管哪种形式的涡轴发动机控制系统，动力涡轮转速恒速原理基本相同。当然，在实际控制中，燃气发生器转速、涡轮前温度、总距杆位置、扭矩、大气环境条件等参数主要对动力涡轮转速进行限制、修正和设定状态。

　　控制系统发展概述

　　半个世纪以来，涡轴发动机已成功地发展了4代产品。第一代涡轴发动机在20世纪50年代至60年代中期研制，以T58-GE-10和阿都斯特II等发动机为典型代表，控制系统采用机械液压燃油与控制系统。第二代涡轴发动机在20世纪60年代中期至70年代中期研制，以阿斯泰祖和T64-GE-6等发动机为典型代表，控制系统采用模拟电子式。第三代涡轴发动机在20世纪70年代末至80年代中期研制，以T700-701C和马基拉等发动机为典型代表，由于集成电路技术的出现和应用，使得控制系统大多采用了数字电子式，并开始了FADEC系统和发动机健康管理初步功能(状态监控、故障诊断等)的研究与应用。第四代涡轴发动机在20世纪80年代中后期开始研制，到90年代投入使用，以T800和MTR390等发动机为典型代表，得益于大规模集成电路和数控技术的日益成熟，控制系统广泛采用FADEC系统，具备相对成熟的健康管理系统。进入21世纪后，超大规模集成电路的出现以及高性能处理器的发展，同时发动机建模仿真技术、健康管理技术和飞/发一体化控制技术的完善，使得涡轴发动机FADEC系统技术进一步成熟。

　　技术特点

　　机械液压式

　　加拿大普惠公司的PT6-T6发动机采用的是典型的机械液压燃油与控制系统。PT6-T6控制系统由燃油调节器、燃油分配器、扭矩限制器、动力涡轮恒速器、双发扭矩匹配器组成。其中燃油调节器集成了油滤、燃油泵、转速敏感元件、弹簧连杆机构、膜盒组件、计量油针、压差活门、分压器、调节活门、加速活门和压力波动吸收器等。燃油调节器能够实现发动机的起动及动力涡轮转速控制。扭矩限制器实现最大扭矩限制，动力涡轮恒速器实现动力涡轮转速恒速、双发扭矩匹配器实现双发扭矩匹配。PT6-T6发动机压气机导叶不可调。

　　模拟电子式

　　GE公司的T700-701A发动机控制系统是典型的模拟电子式控制系统。T700-701A控制系统主要由液压机械装置(HMU)和模拟式电子控制器(ECU)两部分组成。HMU安装在发动机前附件机匣上，主要由带计量装置的泵油系统、转速调节及自动加速控制系统、VG伺服系统组成。HMU由发动机前部附件机匣传动，根据燃气发生器转速、离心压气机出口压力、发动机进口温度的变化、ECU的配平电信号、可用功率轴(PAS)和负载要求轴(LDS)的角度计量供给发动机所需的燃油。压气机的导叶控制也是由HMU单独完成。在发动机运行过程中，一旦电子控制器出现故障，作为备份的HMU进入工作状态，实现一些应急功能，保证飞机的安全。

　　HMU的功能有燃油泵送油、燃油流量计量、通过LDS的角度输入进行总距补偿、加速和减速过程的流量限制、动力涡轮极限转速限制、压气机导向叶片角度控制、起动放气与防冰活门控制、PAS超行程时燃油系统放气;ECU通过控制力矩马达调准动力涡轮转速给定值;ECU故障或不工作时，PAS超控ECU。

　　ECU的功能是通过输出电信号来控制HMU中的力矩马达，在发动机允许的动力涡轮转速、动力涡轮进口温度极限范围内对HMU进行调节，以便保持动力涡轮转速恒定、双发扭矩平衡，另外ECU还具备动力涡轮转速超转保护、起动超温保护，向历史记录仪和驾驶舱提供所需信号等功能。

　　数字电子式

　　T700-701C发动机控制系统是数字电子式控制系统的典型代表，T700-701C发动机控制系统是在T700-701A控制系统发展来的，其组成功能类似，也是由电子控制器和HMU两部分组成，但电子控制器已由模拟电子式发展成数字电子式(DECU)。

　　T700-701C控制系统除实现T700-701A控制功能外，还具备初步的健康管理系统功能。传感器、DECU、历史记录仪、地面检测装置及指示报警装置等构成一个健康管理系统的雏形，能进行基本的状态监视，完成一些重要的故障诊断。DECU实现的初步健康管理功能有BIT测试、DECU各模块的测试、传感器的检测、执行机构的检测，将历史数据及状态记录在非易失存储器中，通过串口通信进行实时或历史数据及状态的传输实现各种信号的监视，驾驶舱仪表指示(扭矩、温度及故障信息等)。


　　历史记录仪包含4个计数器，DECU根据采集参数进行计算判断，驱动历史记录仪记录LCF1(1号低循环疲劳)、  LCF2(2号低循环疲劳)、发动机运行时间及发动机温度时间指数等4个历史参数。这4个参数直接反映发动机的寿命及运行情况。T700-701C发动机还包括一些指示报警装置，如燃油、滑油滤堵塞指示报警等。

　　FADEC

　　FADEC系统也是由电子控制器和液压执行机构组成。涡轴发动机FADEC系统典型特点是余度设计。电子控制器由双余度的数字电子控制通道组成，传感器采用双余度或多余度，液压执行机构也采用余度结构。电子控制器每个数控通道进行信号采集、数据处理、发动机机载模型计算及故障诊断等，能独立地控制液压执行机构，当一个数控通道出现故障时，能自动切换到另一个通道。通道间进行数据交换，在必要情况下还能实现系统重构。FADEC提高了系统的可靠性，可以判断出更加合理的故障模式及作出相应的对策。采用FADEC系统的涡轴发动机有GE公司的T800发动机和中法合作研制的WZ16发动机等。

　　发展趋势

　　根据国内外现役和在研涡轴发动机及其控制系统分析，预计涡轴发动机控制系统未来将向具有成熟的飞/发一体化控制及健康管理技术的FADEC系统发展。

　　随着涡轴发动机的高速发展，控制系统的功能要求日趋强大，需要采集的信号及处理的数据越来越多，FADEC系统电子控制器采用传统处理器(如英特尔的80386、摩托罗拉的MC68332)无论从通道数，还是速度、容量上都已不能满足要求，采用高性能处理器PowerPC(MPC555或MPC556)是涡轴发动机FADEC系统发展趋势。目前对基于PowerPC(MPC555或MPC556)的电子控制器的研究与应用正在进行中，如GE公司的701D发动机数控系统已成功采用MPC555。

　　涡轴发动机的发展也会促进高精度、小型化、集成化的传感器及执行机构的应用研究，会对建模仿真技术、飞/发一体化控制技术提出了新的要求。涡轴发动机控制系统采用飞/发一体化技术能够最大限度地挖掘涡轴发动机的潜力，优化发动机与飞机的性能。20世纪末，美国已在装有T64-GE-415、250-C30两型发动机的CH-53E、S-76直升机进行了飞/发一体化控制设计及研究。欧洲的RTM322发动机数控系统也采用直升机飞/发一体化控制技术。飞/发一体化控制技术是涡轴发动机控制系统发展的方向之一。

　　为了使航空发动机安全高效地运行，节省维修成本，就必须了解发动机的运行状况，掌握其变化规律，对关键部件实施状态监测与故障诊断。发动机状态监控与故障诊断是保障飞机和发动机安全可靠运行的必要条件。传统的定期维修方式不但耗费资源，而且效率低下，费用也居高不下。基于状态的维修(CBM)——视情维修，具有规模小、效率高、经济性好以及可避免重大灾难性事故等显著优势，是航空发动机必然发展的先进维修思想和维修方式。

　　视情维修要求航空发动机具有对自身故障的预测能力，并具有对健康状态进行管理的能力。健康管理系统是航空发动机视情维修的前提。进入21世纪后，超大规模集成电路的出现，高性能处理器及大容量存贮器件的成熟应用，航空发动机控制系统数据处理能力更强，信息容量更大，同时微弱信号识别、故障模式及诊断、寿命预测及管理等技术的进步完善，使得健康管理技术日臻成熟。作为发动机控制系统不可缺少的组成部分，健康管理系统的发展方向是对获取到的发动机数据信息进行综合分析，评估发动机的健康状态并提出维修建议，最终实现对发动机的视情维修。