分級燃燒燃油分配器的設(shè)計與仿真

唐 強，葉志鋒

(南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動機在向高性能方向發(fā)展的同時朝著低污染、低噪聲方向發(fā)展，以滿足新一代民用飛機對發(fā)動機的需求［1-7］。研究表明:發(fā)動機在整個工作過程中，燃燒室溫度始終保持在1 670～1 900 K時會生成較少的NOx和CO。所以，控制NOx和CO生成的方法是改進燃燒室部件，將燃燒室中燃料和空氣的燃燒溫度控制在上述范圍。為此，航空發(fā)動機專家們嘗試開發(fā)了空氣和燃料分級燃燒技術(shù)。這種技術(shù)是通過對發(fā)動機燃燒室的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改善，根據(jù)不同的工作狀態(tài)，燃油可進行自主控制與分配，使得燃燒室的各個部分都能在最高效率的工況下工作，從而使發(fā)動機整體燃燒效率最佳、排放最低，同時達到優(yōu)化燃油使用或分配效率的目的。國內(nèi)雖然對于分級燃燒技術(shù)的研究已積累了一定的基礎(chǔ)，但是對于配套的燃油分配器的研究尚未深入開展，因此本文將對分級燃燒的燃油分配器進行研究。

1 分級燃燒燃油分配系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)的航空發(fā)動機配備單級燃燒室，通過一個燃油分布器實現(xiàn)主、副兩條油路的控制，無法滿足分級燃燒的要求。因而本文設(shè)計了一種新型的燃油分配控制系統(tǒng)［8］，如圖1所示。其中HMU為發(fā)動機燃油調(diào)節(jié)組件，提供發(fā)動機控制的高壓控制油、低壓油和發(fā)動機燃燒所需的計量油。EEC發(fā)動機采用電子控制，控制著電磁閥、電液伺服閥等一系列執(zhí)行元件。發(fā)動機工作時，燃油分配器預(yù)燃級油路常開，主燃級和預(yù)燃級之間的燃油分配由分配活門連續(xù)控制，分級活門由開關(guān)量控制，主燃級通過燃油分級活門分為2級。假識發(fā)動機處于低工況時，燃燒室僅有預(yù)燃級工作，那么計量油通過分配器計量活門后只流過預(yù)燃級的油路進入燃燒室，此時主燃級Ⅰ級、Ⅱ級油路關(guān)閉。當(dāng)發(fā)動機處于中間工況時，發(fā)動機的預(yù)燃級工作和主燃級Ⅰ級工作，此時主燃級Ⅰ級油路打開，計量油流經(jīng)燃油分配器分成2路，流入預(yù)燃級油路和主燃級I級油路，供給發(fā)動機燃燒室燃燒。而在發(fā)動機高工況時，燃燒室預(yù)燃級和主燃級Ⅰ級和Ⅱ級同時工作，此時電控系統(tǒng)控制電磁閥通過燃油分級活門打開主燃級Ⅱ級油路，計量油通過預(yù)燃級、主燃級I級和主燃級II級進入燃燒室。雖然在高工況下發(fā)動機的主燃級I級和Ⅱ級同時工作，但是，隨著具體工況的不同，供給燃燒室的流量有所不同，因而燃油分配器的分配比例會不同。燃油分配控制系統(tǒng)是由EEC通過電液伺服閥控制分配活門的位置實現(xiàn)不同分配的。為了保證分配器的分配精度，對設(shè)計的分配活門閥芯添加了一個線性位移傳感器(LVDT)，通過LVDT把輸入信號后的閥芯位移反饋給EEC，這樣形成了一個反饋閉合回路，提高了燃油分配器的控制精度。

圖1 燃油分配系統(tǒng)工作原理框圖

2 燃油分配器的設(shè)計和參數(shù)計算

燃油分配系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是燃油分配器，也就是燃油分配活門是否能滿足分配比的要求，達到精確分配計量油的目的。因而，根據(jù)設(shè)計要求和分配計劃設(shè)計了如圖2所示的分配器，計量油Q0從上端進入，經(jīng)過左右2個固定節(jié)流口Ⅰ、Ⅱ后再通過2個可變節(jié)流口3、4分成2股既定流量的油路流入分配器腔體，在液壓力、彈簧力等穩(wěn)定作用下，變?yōu)榱髁縌1和Q2流入預(yù)燃級和主燃級燃燒室。其中電液伺服閥通過左端給定x的位移信號來調(diào)節(jié)可變節(jié)流口的開度，以此調(diào)節(jié)預(yù)燃級和主燃級的流量，達到精確分油的目的。

對于設(shè)計的分配器首先進行了穩(wěn)態(tài)尺寸參數(shù)計算。

燃油分配器不工作時，在預(yù)緊力作用下得

其中:k1、k2為彈簧的剛度系數(shù);L10、L20和 L1、L2為彈簧的初始長度和穩(wěn)態(tài)長度。

圖2 燃油分配器結(jié)構(gòu)原理

當(dāng)分級燃油分配器工作時，可得以下方程:

其中:xv為閥芯位移，x為右端輸入信號位移;F1為彈簧力，F(xiàn)2為穩(wěn)態(tài)液動力;K1、K2為固定節(jié)流口Ⅰ和Ⅱ的節(jié)流系數(shù);K3、K4為可變節(jié)流口3和4的節(jié)流系數(shù);AⅠ和AⅡ為固定節(jié)流口Ⅰ和Ⅱ的截面積;w1和w2為可變節(jié)流口3和4的面積梯度;U為節(jié)流口3、4的預(yù)開口量;Q1、Q2為預(yù)燃級和主燃級流量;k為主燃級和預(yù)燃級燃油分配比。

通過上面各等式和設(shè)計要求可計算出分配器的各項穩(wěn)態(tài)參數(shù)。

3 基于AMESim的建模仿真

3.1 仿真模型的建立

為了驗證設(shè)計燃油分配器的可行性和準(zhǔn)確性，根據(jù)分配器的結(jié)構(gòu)圖設(shè)計了AMESim仿真模型，如圖3所示［9-10］。仿真模型中各元件連接采用直連的方式，分段線信號通過壓力變送器模擬外部的負載變化。

圖3 燃油分配器仿真模型

3.2 動態(tài)性仿真分析

燃油分配器的動態(tài)性、魯棒性和穩(wěn)態(tài)性的仿真分析是對分配器性能好壞的一個直觀描述。

動態(tài)性是指分配器給定信號位移后響應(yīng)速度的快慢，可以通過分配器閥芯調(diào)節(jié)時間進行表征，因而本文在動態(tài)分析時研究了不同初始位移下的閥芯位移曲線。

圖4 輸入信號12 mm時的閥芯位移曲線

以輸入信號12 mm時的閥芯位移曲線為例，從圖中可以看出左端在有輸入信號時，閥芯在彈簧力、壓差力、液動力等影響下迅速發(fā)生移動，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，閥芯在平衡位置穩(wěn)定下來，而調(diào)節(jié)時間不超過0.25 s。同樣對輸入信號8 mm、16 mm分析可得結(jié)果類似。因此，仿真范圍內(nèi)可得燃油分配器的響應(yīng)迅速，調(diào)節(jié)時間較短，動態(tài)性能較好，符合設(shè)計要求。

3.3 魯棒性仿真分析

對于控制系統(tǒng)來說魯棒性是指系統(tǒng)在一定的擾動下，參數(shù)保持某一性能的特性。對于燃油分配器來說就是在某一參數(shù)發(fā)生偏移變化時，系統(tǒng)是否能夠保證穩(wěn)定分配輸出。本文從入口壓力、主燃級和預(yù)燃級壓力、輸入位移信號4個變量中選取1個變量，其他變量保持不變，研究此變量與分配比的變化關(guān)系。

在輸入位移信號為8 mm時，保持入口壓力、預(yù)燃級和主燃級負載壓力不變，輸入信號在0.5 s后有0.2 mm的正方波信號，1.5 s后有個持續(xù)0.5 s的負方波信號，采樣頻率為1 000 Hz。故取輸入位移信號的擾動曲線為圖5所示，經(jīng)過仿真所得分配比曲線為圖6所示。在輸入位移信號有較小的正負方波信號情況下，燃油分配器的分配比在4.58～4.64變化，變化范圍較小。因而可得:在仿真范圍內(nèi)，輸入位移的小擾動對分配比影響較小，輸入位移信號的魯棒性較好。

圖5 分配比隨輸入信號變化曲線

在保持輸入位移信號，預(yù)燃級和主燃級出口壓力不變的情況下，對入口壓力從80 bar做了正負2 bar的階躍，得到如圖6所示的分配比隨入口壓力的階躍響應(yīng)曲線。從圖6可以看出:雖然入口壓力發(fā)生了變化，但是分配比的變化較小，維持在4.58～4.63，因而分配比受入口壓力影響較小，分配器的入口壓力魯棒性較好。

圖6 分配比k隨入口壓力變化曲線

圖7 分配比k隨預(yù)燃級壓力變化曲線

在保持入口壓力、主燃級出口壓力、輸入位移信號不變的情況下對預(yù)燃級出口由50 bar做較小的正負1 bar的階躍，分配比變化如圖7所示。由圖中可以看出盡管預(yù)燃級壓力變化較小，但是分配比變化從2.9～8.1，顯然分配比變化范圍較大，影響燃油分配器性能，因而可得分配器的預(yù)燃級出口壓力的魯棒性較差。由分配器結(jié)構(gòu)的對稱性可知，主燃級出口壓力的魯棒性也較差。

3.4 穩(wěn)態(tài)性仿真分析

由于入口壓力和輸入位移信號的魯棒性較好，對分配比影響較小，因而對這2個變化量做進一步的穩(wěn)態(tài)分析。在分析入口壓力與分配比的變化關(guān)系時，由于入口壓力變化較小，可設(shè)每時每刻的分配比趨于穩(wěn)定，獲得了穩(wěn)態(tài)的分配比隨入口壓力變化曲線，如圖8所示。由圖8可以看出:在入口壓力變化下，分配比有較小的變化，分析原因是由于入口壓力變化，預(yù)燃級和主燃級壓差都發(fā)生改變，2級的流量有較小變化，由于分配比是主燃級和預(yù)燃級流量之比，所以受到影響較小。

圖8 分配比k隨入口壓力的穩(wěn)態(tài)變化曲線

同樣，在分析輸入位移信號和分配比的變化關(guān)系時，可假定輸入信號變化緩慢，分配比時刻穩(wěn)定，得到分配比隨輸入信號的穩(wěn)態(tài)變化曲線，如圖9所示。從圖9可以看出:隨著輸入位移信號的增大，分配比也線性增大，這與設(shè)計要求的通過輸入信號線性地控制分配比的大小相符，因而可得設(shè)計的分配比線性穩(wěn)定性較好。

圖9 分配比k隨輸入信號的穩(wěn)態(tài)變化曲線

4 結(jié)論

1)在仿真分析范圍內(nèi)，分配器動態(tài)響應(yīng)較快，調(diào)節(jié)時間較短。

2)在魯棒性仿真分析時，輸入位移信號和入口壓力的魯棒性較好，預(yù)燃級和主燃級出口壓力的魯棒性較差。

3)燃油分配比隨入口壓力的改變，其變化較小，穩(wěn)定性較高;分配比隨輸入位移信號的變化，其線性穩(wěn)定性較好，完全符合設(shè)計要求。

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