Design and Test Evaluation of Full Authority Digital Electronic Control System for an Auxiliary Power Unit

Kai Peng,Chunbo Jiao,Linfeng Gou,Ding Fan,Fan Yang,Hongliang Xiao

doi:10.1051/jnwpu/20183661102

Abstract

A helicopter auxiliary power unit (APU) is initially equipped with a hydro-mechanical control system (HMC). Because HMC's complex structure is difficult to be modified to realize sophisticated control algorithms and the APU is faced with the need for performance improvement, it is urgently necessary to carry out digital control modification of HMC. Based on the analysis of control laws of the original HMC and differences between HMC and digital control system, key techniques involved in the digital control system are studied, such as overall structure, control laws and fuel system based on electric fuel pump, and finally a full authority digital electronic control system (FADEC) is developed for APU. Functions, performances and key techniques of the FADEC system are evaluated on test rig, and the test results show functions of original control system are enhanced and performances of APU are improved more effectively under the control of the designed FADEC compared with the original HMC.

Highlights

某型 APU 作为直升机的第二动力,采用了机械液压式控制系统,其在研制试验过程中经常出现热起动超温、起动时间过长、不同地域间起动特性一致性差等现象[3] 。为了提升 APU 的性能,进一步改善其工作特性及控制品质,相关研究单位提出了对其机械液压控制系统进行改型的需求。但原机械液压控制系统结构复杂,包含大量膜盒、杠杆、薄膜等元件,若直接在其基础上改进需增加功能组件,一则不易扩展且开发周期长,二则控制系统的体积和重量也会迅速增大且极易达到实用极限。鉴于数字电子控制系统( DEC) 灵活性高、可调整性好且易升级改型等特点[1,4⁃5],提出了全新设计 FADEC 以替代原
本文在分析 APU 原有机械液压控制系统工作原理及其控制律的基础上,结合 FADEC 系统 IO 构成,采用了电动燃油泵的供油形式,重新设计了全状态控制律,并针对过渡态控制器给出了一种新的转子加速度控制方式,有效地避免了现有典型转子加速度控制方式的不足。经多次试车验证,表明 APU 工作稳定可靠,FADEC 系统主要性能指标优于原机械液压控制系统,并全面实现了原系统功能。

Summary

Introduction

辅助动力装置( APU) 是装在飞机上的一套自成体系的小型燃气涡轮发动机[1⁃2] , 其主要功能是为飞机主发动机的起动及座舱空调系统提供压缩空气,提供轴功率用于发电等;提高飞机的安全性及飞行能力。为适应飞机远距离、大范围和多变天气条件下的使用,要求 APU 必须具备良好的高、低温起动等能力[3] 。某型 APU 作为直升机的第二动力,采用了机械液压式控制系统,其在研制试验过程中经常出现热起动超温、起动时间过长、不同地域间起动特性一致性差等现象[3] 。为了提升 APU 的性能,进一步改善其工作特性及控制品质,相关研究单位提出了对其机械液压控制系统进行改型的需求。但原机械液压控制系统结构复杂,包含大量膜盒、杠杆、薄膜等元件,若直接在其基础上改进需增加功能组件,一则不易扩展且开发周期长,二则控制系统的体积和重量也会迅速增大且极易达到实用极限。鉴于数字电子控制系统( DEC) 灵活性高、可调整性好且易升级改型等特点[1,4⁃5] ,提出了全新设计 FADEC 以替代原情况时切断燃油进行停车保护。燃油调节器的原理图如图 2 所示,其中齿轮泵由 APU 通过减速箱传动。 APU 供油规律根据转速的上升过程可分为 6 个阶段( 阶段 1 ~ 5 为起动过程, 阶段 6 为稳态过程) 。 APU 全权限数字电子控制系统的主要组成部分有:数字电子控制器、电动燃油供油装置、起动电机、滑油系统、负载引气阀、防喘控制阀、点火附件和各类传感器等。所设计的数控系统原理框图如图 1 所示。

Results

Conclusion