渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)經歷了機械液壓式,、模擬電子式,、數字電子式、全權限數字式發(fā)動機控制（FADEC）4代產品的發(fā)展歷程,，它的發(fā)展還與電子技術,、控制技術,、健康管理技術的進步緊密相關。成熟的飛/發(fā)一體化控制及健康管理技術將是未來渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向,。
世界上第一臺航空渦軸發(fā)動機是透博梅卡公司研制的阿都斯特-l發(fā)動機,，該發(fā)動機采用的是機械液壓式燃油調節(jié)器。渦軸發(fā)動機及其控制系統(tǒng)的發(fā)展是相輔相成的：一方面,，渦軸發(fā)動機的發(fā)展對控制系統(tǒng)不斷提出新的要求,，促使其技術不斷進步，功能更加完善,；另一方面，控制系統(tǒng)的發(fā)展,、關鍵技術的突破也能挖掘渦軸發(fā)動機的潛力,，促進渦軸發(fā)動機的發(fā)展,。
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渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)包括燃油和控制兩大部分。燃油部分有增壓泵,、油濾,、高壓泵、分配器等,；控制部分有燃氣發(fā)生器轉速控制器,、動力渦輪轉速恒速器、雙/多發(fā)扭矩匹配器,、渦輪前溫度限制器,、扭矩限制器、動力渦輪轉速超轉保護裝置,、壓氣機導葉調節(jié)裝置等,。對第一、二代渦軸發(fā)動機而言,，控制系統(tǒng)大部分是各自獨立的,。對于第三、四代渦軸發(fā)動機的控制系統(tǒng)的大部分組成及功能則進一步集成化,，逐漸發(fā)展成電子控制單元（ECU）和液壓機械單元（HMU）兩大塊,，但有一些關鍵的部分（如動力渦輪轉速超轉保護裝置）仍然是相對獨立的。
渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)需要實現如下的基本功能：發(fā)動機起動控制,、發(fā)動機穩(wěn)態(tài)控制,、發(fā)動機加減速控制、動力渦輪轉速恒速控制,、動力渦輪轉速超轉保護,、燃氣發(fā)生器轉速限制、燃氣渦輪出口溫度限制,、起動過程超溫保護,、壓氣機導向葉片角度控制、動力渦輪輸出軸扭矩限制,、雙/多發(fā)扭矩匹配控制,、單發(fā)應急功能控制、放氣（活門）控制,、燃油系統(tǒng)排氣功能,、防冰功能。數字式電子控制系統(tǒng)還要實現發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷與處理,、信息存儲和數據通信以及地面檢測功能,。4 B C0 h6 S7 N( E0 r5 [% m9 w
動力渦輪轉速恒速控制是渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)的主要功能，也是渦軸發(fā)動機典型的控制方式。不管哪種形式的渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng),，動力渦輪轉速恒速原理基本相同,。當然，在實際控制中,，燃氣發(fā)生器轉速,、渦輪前溫度、總距桿位置,、扭矩,、大氣環(huán)境條件等參數主要對動力渦輪轉速進行限制、修正和設定狀態(tài),。
控制系統(tǒng)發(fā)展概述
半個世紀以來,，渦軸發(fā)動機已成功地發(fā)展了4代產品。第一代渦軸發(fā)動機在20世紀50年代至60年代中期研制,，以T58-GE-10和阿都斯特II等發(fā)動機為典型代表,，控制系統(tǒng)采用機械液壓燃油與控制系統(tǒng)。第二代渦軸發(fā)動機在20世紀60年代中期至70年代中期研制,，以阿斯泰祖和T64-GE-6等發(fā)動機為典型代表,，控制系統(tǒng)采用模擬電子式。第三代渦軸發(fā)動機在20世紀70年代末至80年代中期研制,，以T700-701C和馬基拉等發(fā)動機為典型代表,，由于集成電路技術的出現和應用，使得控制系統(tǒng)大多采用了數字電子式,，并開始了FADEC系統(tǒng)和發(fā)動機健康管理初步功能（狀態(tài)監(jiān)控,、故障診斷等）的研究與應用。第四代渦軸發(fā)動機在20世紀80年代中后期開始研制,，到90年代投入使用,，以T800和MTR390等發(fā)動機為典型代表，得益于大規(guī)模集成電路和數控技術的日益成熟,，控制系統(tǒng)廣泛采用FADEC系統(tǒng),，具備相對成熟的健康管理系統(tǒng)。進入21世紀后,，超大規(guī)模集成電路的出現以及高性能處理器的發(fā)展,，同時發(fā)動機建模仿真技術、健康管理技術和飛/發(fā)一體化控制技術的完善,，使得渦軸發(fā)動機FADEC系統(tǒng)技術進一步成熟,。
機械液壓式
加拿大普惠公司的PT6-T6發(fā)動機采用的是典型的機械液壓燃油與控制系統(tǒng)。PT6-T6控制系統(tǒng)由燃油調節(jié)器,、燃油分配器,、扭矩限制器,、動力渦輪恒速器、雙發(fā)扭矩匹配器組成,。其中燃油調節(jié)器集成了油濾,、燃油泵、轉速敏感元件,、彈簧連桿機構、膜盒組件,、計量油針,、壓差活門、分壓器,、調節(jié)活門,、加速活門和壓力波動吸收器等。燃油調節(jié)器能夠實現發(fā)動機的起動及動力渦輪轉速控制,。扭矩限制器實現最大扭矩限制,，動力渦輪恒速器實現動力渦輪轉速恒速、雙發(fā)扭矩匹配器實現雙發(fā)扭矩匹配,。PT6-T6發(fā)動機壓氣機導葉不可調,。
模擬電子式
GE公司的T700-701A發(fā)動機控制系統(tǒng)是典型的模擬電子式控制系統(tǒng)。T700-701A控制系統(tǒng)主要由液壓機械裝置（HMU）和模擬式電子控制器（ECU）兩部分組成,。HMU安裝在發(fā)動機前附件機匣上,，主要由帶計量裝置的泵油系統(tǒng)、轉速調節(jié)及自動加速控制系統(tǒng),、VG伺服系統(tǒng)組成,。HMU由發(fā)動機前部附件機匣傳動，根據燃氣發(fā)生器轉速,、離心壓氣機出口壓力,、發(fā)動機進口溫度的變化、ECU的配平電信號,、可用功率軸（PAS）和負載要求軸（LDS）的角度計量供給發(fā)動機所需的燃油,。壓氣機的導葉控制也是由HMU單獨完成。在發(fā)動機運行過程中,，一旦電子控制器出現故障,，作為備份的HMU進入工作狀態(tài)，實現一些應急功能,，保證飛機的安全,。
HMU的功能有燃油泵送油、燃油流量計量,、通過LDS的角度輸入進行總距補償,、加速和減速過程的流量限制、動力渦輪極限轉速限制、壓氣機導向葉片角度控制,、起動放氣與防冰活門控制,、PAS超行程時燃油系統(tǒng)放氣；ECU通過控制力矩馬達調準動力渦輪轉速給定值,；ECU故障或不工作時,，PAS超控ECU。
ECU的功能是通過輸出電信號來控制HMU中的力矩馬達,，在發(fā)動機允許的動力渦輪轉速,、動力渦輪進口溫度極限范圍內對HMU進行調節(jié)，以便保持動力渦輪轉速恒定,、雙發(fā)扭矩平衡,，另外ECU還具備動力渦輪轉速超轉保護、起動超溫保護,，向歷史記錄儀和駕駛艙提供所需信號等功能,。
數字電子式
T700-701C發(fā)動機控制系統(tǒng)是數字電子式控制系統(tǒng)的典型代表，T700-701C發(fā)動機控制系統(tǒng)是在T700-701A控制系統(tǒng)發(fā)展來的,，其組成功能類似,，也是由電子控制器和HMU兩部分組成，但電子控制器已由模擬電子式發(fā)展成數字電子式（DECU）,。
T700-701C控制系統(tǒng)除實現T700-701A控制功能外,，還具備初步的健康管理系統(tǒng)功能。傳感器,、DECU,、歷史記錄儀、地面檢測裝置及指示報警裝置等構成一個健康管理系統(tǒng)的雛形,，能進行基本的狀態(tài)監(jiān)視,，完成一些重要的故障診斷。DECU實現的初步健康管理功能有BIT測試,、DECU各模塊的測試,、傳感器的檢測、執(zhí)行機構的檢測,，將歷史數據及狀態(tài)記錄在非易失存儲器中,，通過串口通信進行實時或歷史數據及狀態(tài)的傳輸實現各種信號的監(jiān)視，駕駛艙儀表指示（扭矩,、溫度及故障信息等）,。3 M5 n b3 s$ x3 l
歷史記錄儀包含4個計數器，DECU根據采集參數進行計算判斷,，驅動歷史記錄儀記錄LCF1（1號低循環(huán)疲勞）,、 LCF2（2號低循環(huán)疲勞）,、發(fā)動機運行時間及發(fā)動機溫度時間指數等4個歷史參數。這4個參數直接反映發(fā)動機的壽命及運行情況,。T700-701C發(fā)動機還包括一些指示報警裝置,，如燃油、滑油濾堵塞指示報警等,。
FADEC
FADEC系統(tǒng)也是由電子控制器和液壓執(zhí)行機構組成,。渦軸發(fā)動機FADEC系統(tǒng)典型特點是余度設計。電子控制器由雙余度的數字電子控制通道組成,，傳感器采用雙余度或多余度,，液壓執(zhí)行機構也采用余度結構。電子控制器每個數控通道進行信號采集,、數據處理、發(fā)動機機載模型計算及故障診斷等,，能獨立地控制液壓執(zhí)行機構,，當一個數控通道出現故障時，能自動切換到另一個通道,。通道間進行數據交換,，在必要情況下還能實現系統(tǒng)重構。FADEC提高了系統(tǒng)的可靠性,，可以判斷出更加合理的故障模式及作出相應的對策,。采用FADEC系統(tǒng)的渦軸發(fā)動機有GE公司的T800發(fā)動機和中法合作研制的WZ16發(fā)動機等。
發(fā)展趨勢
根據國內外現役和在研渦軸發(fā)動機及其控制系統(tǒng)分析,，預計渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)未來將向具有成熟的飛/發(fā)一體化控制及健康管理技術的FADEC系統(tǒng)發(fā)展,。
隨著渦軸發(fā)動機的高速發(fā)展，控制系統(tǒng)的功能要求日趨強大,，需要采集的信號及處理的數據越來越多,，FADEC系統(tǒng)電子控制器采用傳統(tǒng)處理器（如英特爾的80386、摩托羅拉的MC68332）無論從通道數,，還是速度,、容量上都已不能滿足要求，采用高性能處理器PowerPC（MPC555或MPC556)是渦軸發(fā)動機FADEC系統(tǒng)發(fā)展趨勢,。目前對基于PowerPC（MPC555或MPC556）的電子控制器的研究與應用正在進行中,，如GE公司的701D發(fā)動機數控系統(tǒng)已成功采用MPC555。
渦軸發(fā)動機的發(fā)展也會促進高精度,、小型化,、集成化的傳感器及執(zhí)行機構的應用研究，會對建模仿真技術,、飛/發(fā)一體化控制技術提出了新的要求,。渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)采用飛/發(fā)一體化技術能夠最大限度地挖掘渦軸發(fā)動機的潛力,，優(yōu)化發(fā)動機與飛機的性能。20世紀末,，美國已在裝有T64-GE-415,、250-C30兩型發(fā)動機的CH-53E、S-76直升機進行了飛/發(fā)一體化控制設計及研究,。歐洲的RTM322發(fā)動機數控系統(tǒng)也采用直升機飛/發(fā)一體化控制技術,。飛/發(fā)一體化控制技術是渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)發(fā)展的方向之一。
為了使航空發(fā)動機安全高效地運行,，節(jié)省維修成本,，就必須了解發(fā)動機的運行狀況，掌握其變化規(guī)律,，對關鍵部件實施狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷,。發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷是保障飛機和發(fā)動機安全可靠運行的必要條件。傳統(tǒng)的定期維修方式不但耗費資源,，而且效率低下,，費用也居高不下�,；跔顟B(tài)的維修（CBM）——視情維修,，具有規(guī)模小、效率高,、經濟性好以及可避免重大災難性事故等顯著優(yōu)勢,，是航空發(fā)動機必然發(fā)展的先進維修思想和維修方式。
視情維修要求航空發(fā)動機具有對自身故障的預測能力,，并具有對健康狀態(tài)進行管理的能力,。健康管理系統(tǒng)是航空發(fā)動機視情維修的前提。進入21世紀后,，超大規(guī)模集成電路的出現,，高性能處理器及大容量存貯器件的成熟應用，航空發(fā)動機控制系統(tǒng)數據處理能力更強,，信息容量更大,，同時微弱信號識別、故障模式及診斷,、壽命預測及管理等技術的進步完善,，使得健康管理技術日臻成熟。作為發(fā)動機控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分,，健康管理系統(tǒng)的發(fā)展方向是對獲取到的發(fā)動機數據信息進行綜合分析,，評估發(fā)動機的健康狀態(tài)并提出維修建議，最終實現對發(fā)動機的視情維修,。
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